Устройство для измерения комплексного коэффициента передачи четырехполюсника СВЧ Советский патент 1990 года по МПК G01R27/04 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к фазовым измерениям в СВЧ-диапазоне, и может использоваться для измерения комплексного коэффициента передачи (ККП) нелинейного четырехполюсника.

Целью изобретения является обеспечение измерения нелинейньк четырехполюсников СВЧ и автоматизация измерений.

На фиг,1 представлена структурная электрическая схема устройства для измерения комппексного коэффициента

передачи четырехполюсника СВЧ; на фиг,2 - вид огибающей сигнала; на фиг.З - структурная электрическая схема блока измерения фазы ККП; на фиг,4 - структурная электрическая схема блока измерения модуля ККП; на фиг,5 - структурная электрическая схема генератора СВЧ с программным управлением; на фиг,6 - структурная электрическая схема блока ввода . номера гармоники; на фиг,7 - структурная электрическая схема блока ввода. Устройство для измерения комплексного коэффициента передачи четырехполюсника СВЧ содержит генератор 1 СВЧ, делитель 2, первый вентиль 3, первый направленный ответвитель 4, датчик 5 мощности и первыйусилитель 6 постоянного тока, блок 7 измерения модуля, контактное устройство 8,перестраиваемый полосовой фильтр 9,второй направленный ответвитель 10,датчик 11 мощности и второй усилитель 12 постоянного тока, блок 13 сравнения, сумматор 14, блок 15 измерения фазы, однополосный модулятор 16, второй вентиль 17, управляемый аттенюатор 18, управляемый фазовращатель 19, третий вентиль 20, третий направленный ответвитель 21, датчик 22 мощности, третий усилитель 23 постоянного тока, блок 24 ввода, блок 25 ввода номера гармоникидИ интегратор 26, Блок 15 содержит фильтр первой га моники 27, первый делитель 28, генер тор 29 тактовых импульсов, второй делитель 30, первый коммутатор 31, первый и второй блоки 32 и 33 дифферен цирования, блок И 34, второй коммута тор 35, селектор 36, счетчик 37, регистр 38, дешифратор 39, индикатор 40, амплитудный детектор 41, усилитель-ограничитель 42, третий блок 43дифференцирования. Блок 7 содержит первый усилитель 44постоянного тока, нелинейный элемент 45, второй усилитель 46 постоян ного тока, аналого-цифровой преобраз ватель 47, выходной регистр 48, деши ратор 49 и индикатор 50, Генератор 1 содержит генераторный модуль 51, усилитель 52, управляемый аттенюатор 53, первьй цифроаналоговый преобразователь 54, усилитель 53 постоянного тока, делитель 56 напряжения и второй цифроаналоговый пре образователь 57, Блок 25 содержит источник 58 опор ного напряжения, делитель 59, коммутатор 60, цифроаналоговый преобразователь 61, усилитель 62 постоянного тока. Блок 24 содержит первый и второй буферный регистр 63 и 64, первьй и второй дешифратор 65 и 66, первый и второй индикатор 67 и 68, преобразователь 69 кодов, коммутатор 70, разъем 71 и клавиатуру 72, Устройство для измерения комплексного коэффициента передачи четырехполюсника СВЧ работает следующим об-, разом. Сигнал генератора 1, частота и мощность которого задаются оператором с помощью клавиатуры 72 блока 24, через делитель 2 поступает в измерительньй и опорньй каналы. Через контактное устройство 8 на иссле,-г дуемьй четырехполюсньй СВЧ поступает СВЧ-сигнал с частотой о и амплитудой V U,(t) V costJt, причем в выходном спектре исследуемого нелинейного четырехполюсника СВЧ присутствуют высшие гармоники ) cos (Kwt +« ), k:r1 где N - число гармоник; V, (- ам- . плитуды и фазы; К 1,,,,,N, Требуется распределить комштексньй коэффициент передачи четырехполюсника СЕЧ К i К е к к V Однополосньй модулятор 16, установленньй в опорном канале, преобразует снгнал генератора I в сигнал вида Uo(t) V, cos(wt +Л t), где Л - частота модулирукщего колебания«мСь) V cosnt, генерируемого в блоке 15, На выходе сумматора 14 сигнал имеет вид U(t) - U(t) + U(t) « (KoJt + + le,) +VcCos(wt + + flt +(f.,), где номер гармоники К задается настройкой перестраиваемого полосового фильтра 9 на частоту Ки); ifp, - фазовый набег, oпpeдeляe ый длиной линий, соединяющих сумматор 14 и кон- тактное устройство 8, и фазовыми сдвигами в полосовом фильтре 9 и направленном ответйителе 10, if (и. + CP пп тоЧ где фд - фазовый сдвиг, устанавливае мый управляем.1м фазовращателем 19, фазовый набег в линии, соединяющей однополосный модулятор 16 с управпяекым фазовращателем 19, вентилем 20, ответвителем 21 и сумматором 14, а также в самих вентиле 20 и ответвителе 21, Огибанядая сигнала U (t) имеет вид, показанный на фиг,2, Для она имеет острые минимумы, для К 1 - плавный. Задержка минимума оги бающей относительно модулирующего сигнала U..(t) равна Ч .,-Чс„)/, связана с (р соотношением ff - Щ Для обеспечения нормальной работо способности сигналы U(t) и Uj(t) на входе сумматора 14 должны быть примерно равны по амплитуде (по крайней мере отличаться не более, че в 3 раза). Для выравнивания амплитуд .U(t) и Uji (t) служит цепь обратной связи, состоящая из направленных ответвителей 10 и 21 падакяцих волн, датчиков 11 и 22, усилителей 12 и 23, повьшаю 1ЦИХ выходное напряжение датчиков 1 1 и 22 до уровня, обеспечивающего работоспособность блока 13j. интегратора 26 и управляемого аттенюатора 18, Сигналы на выходе усилителей 12 и 23 (Р и РЗ) пропорциональны мощности волн СВЧ-колебаний измерительного и опорного каналов соответствен но, поступающих на сумматор 14, Напр жение на выходе блока 13 соответству ет уровню +1, если , уровню О, Р , и уровню - 1, если если РВ соответствии с этим на Р :Р , В соответствии с этим на выходе интегратора 26 появляется линейно возрастакщее или линейно падающее напряжение, если на выходе схемы сравнения присутствует уровень +1 или -1. В случае нулевого входного сигнала напряжение интегратора 26 зафиксировано. Рост выходного напряжения интегратора 26 вызывает уменьшение проходного затух шия управляемого аттенюато- 1 5 ра 18, падение - увеличение эатухания, Таким образом, выходной сигнал интегратора 26 будет зафиксирован толь- ко в случае равенства напряжении сигналов Р и РЗ, что соответствует равенству амплитуд UjCt) и Ue(t), Вентили 3, 17 и 20 служат для уменьшения проникновения сигнала измерительного канала в опорный и обратно. Блок 15 служит для определения фазы cf и генерации модулирующего сигнала U(t), 1V, Определение qi происходит путем измерения временной задержки dl: (фиг,2) методом заполнения временного интервала счетными импульсами. Поскольку с ростом (f, ц, и dt уменьшается (1), (2), то для упро- щения аппаратной реализации блока измеряется задержка xdt, определяемая сдвигом фаз tf , Причем 0 К, н (tfk- е1-Чп)/Я . Измерение лt осуществляется путем подсчета числа тактовых импульсов генератора 29 (с учетом деления их частоты на коэффициент К делi m-K, где К - номер гармоники, m - максимальное количество исследуе№1Х гармоник ) делителем 30, вьщеленных селектором 36 с момента поступления стартового импульса формируемого усилителя - ограничителем 42 и блоком 43 по минимуму огибающей сигнала сумматора .14, вьщеляемой амплитудным детектором 41, до прихода стопового импульса соответствугацего отрицательному фронту модулирую1цего напряжения Uyy(t)o Стоповый импульс генерируется блоком 32, Сказанное справедливо для , когда огибающая имеет острый минимум. При делитель-ограничитель 42 и блок 43 ф1 рмируют стартовый импульс по отрицательному фронту огибающей U.t), т,е, раньше на 1Г/2, В связи с этим СТОПОВЫЙ импульс должен быть сформирован по максимуму U(t),4TO осуществляет цепь, состоящая из блоков 34 и 33, Выбор одного из двух стоповых импульсов производит коммутатор 35, управляемый сигналом К1, определяющим номер выбранной гармоникИв Этот же сигнал за дает с помощью коммутатора 31 К р, К формируется в блоке 25, Сигнал U(t) формируется путем снижения до Я частоты ген ратора 29 делителем 28 и выделения синусоидальной состанлягсщей первой гармоники фильтром 27, Двоичный код количества тактовых импульсов поступает с выходом счет чика 37 на регистр 38, где запоминаются на период времени от одного измерения до другого, и индицируетс индикатором 40 после преобразования его дешифратором 39 во входной код индикатора 40, Коэффициент деления К делителя 28 подобран таким образом, чтобы число тактовых импульсов соответствовало измеренному углу (о „ Рассчитать Кд2д можно следующим образом. Для cfg бп t равно t - w/(KfO (3) Необходимо определить (О с ностью не хуже (град) с,а„) - ilo-tf.

(Гц)/2

n/f

t

сч

где 4п - число импульсов, соответствугацик углу й. град в Откуда

,.e. -if- 2 4 t- - фициент деленияо

После расчета К днеобходимо проверить, допустима ли погрешность от округления КдедДо целогоо При этом должно выполняться неравенство

J, . ,

°

MctKC

гпе 1 ° максимальное значеш е пз Нлчешсодп

меряемого угла Ц JoU

S и

R

Р Г

н

где S - коэффициент пропорциональностио

При инвертирующем включении усилителя 46 его коэффициент усилетшя определяется сопротивлением цепи

обратной связи

Кус f

а выходное напряжение, соответственно равно

U6 ,,/R, S, , где S Rp(,/S .

50Таким образом, U оказывается

пропорционально модулю ККП, I -.

Значение П преобразовывается в двоичный код анапого-цифровым преобразователем 47, запоминается вы; ходным регистром 48, и индицируется индикатором 50 после преобразования в дешифраторе 49с в свою очередь 90 п К К Таким образом, условие дощстн мости вносимой погрешности имеет вид л((к сРк К К 720 Блок 7 определяет отношение сигналов ,, равное модулю коэффициента передачи четырехполюсника СВЧ, Напряжение сигнала Р, снимаемое с датчика 5 и усиленное усшштелем 6 пропорционально мощности этой волны, равно, как и напряжение сигнала Р пропорционально мощности волны СВЧколебания, прошедщего через четырехполюсник СВЧ, Напряжение, пропорциональное PI/PI формируется усилителем 46 с большим коэффициентом усилершя, имегацим в цепи обратной связи нелинейный элемент 45, сопротивление RH которого прямо: пропорционально величине сигната Р, 1 Усилитель 44 служит для подачи на нелинейный элемент 45 постоянней сос тавлякщей калибровки блока 7, Генератор 1 предназначен для ганерации синусоидального СВЧ-колебаНИН с заданной частотой и мощностью. Частота генерации определяется ве личиной тока, подаваемого с выхода цифроанапогового преобразователя 54 |на генераторный модуль 51, Величина тока (а значит и частоты) определяется двоичным кодом. После усиления СВЧ-колебание пост пает на управляемый аттенюатор 53, работающий в схеме автоматической ре гулировки мощности (АРМ), состоящей из усилителя 55 с высоким коэффициентом усиления, цифроаналогового преобразователя 57 и делителя напряжения 56, АРМ представляет собой схе fy со следящей обратной связью. Напряжение на выходе усилителя 5|5 определякяцее коэффициент передачи управляемого аттенюатора 53 устанавливается таким, чтобы сигналы на входах усилителя 55 были равны. Поскольку напряжение сигнала Р пропорционально уровню падающей на четырехполюсник СВЧ-мощности, то оно оказывается равно напряжению, задаваемому подачей на цифроаналоговый преобразователь 57 кода уровня этой мощностио Кроме того, схема АРМ компенсирует флюктуации мощности генератор I, возникагацие при перестройке часто ты, прогреве элементов схемы и т.п Делитель 56 предназначен для -.юстировки схемы АРМ (для установления соответствия между кодом мощности и мощностью падающей на четырехполюсни СВЧ-волны измерительного СВЧ-колебания)о Влок 25 предназначен для задания рюмера гармоники измерительного сиг нала, на которую будет настроен пере страиваемый полосовой фильтр 9о Блок 25 вырабатывает ток управления частотой перестраиваемого полосового . фильтра 9 и сигнал К, содержащий информацию о номере выбранной гармоники,. Выбор номера гармоники осуществля ется, с помощью коммутатора 60, который подключает к цифроаналоговому преобразователю 61 в качестве источн ка опорного напряжения один из выходов датчика опорных напряжений, состоящего из источника 58, и делителя 5 59, Ток цифроанапогового преобразг1ва теля 61, определяемый этим опорным напряжением и кодом частоты гзнерато- ра 1, подается на перестраиваемый поло совый фильтр 9, Если при работе на основной час тоте на цифроаналоговый преобразователь 61 подавалось опорное напряжение и. , то с переходом на К гармонику оно увеличивается в К раз, чтс во столько же раз увеличивает ток управления. Усилитель 62 служит для согласования выходного сопротивлештя цифроаналогового преобразоватепя 6 и перестраиваемого полосового фильтра 9, Сигнал к 1, несущий информацию о номере выбранной гармоники, поступает на блок 15, Блок 24 позволяет оператору внести с клавиатуры 72 или передать по линии связи с ЭВМ через разъем 71 значения частоты СВЧ-сигнала и уровня падающей на четырехполюсник СВЧ-мощ- ности. KoMNiyTaTOp 70 позволяет выбрать источник информации (ЭВМ или клавиатура ) по сигналу управления с клавиатуры 72, Преобразователь 69 переводит в двоичный код, генерируемый клавиатурой и передаваемый по линии связи с ЭВМ, Значения частоты и мощности запоминаются в буферных регистрах 63 и 64 и ирзднцируются инди- каторами 67 и 68 после преобразования дешифраторами 65 и 66г Перед проведением измерений производится калибровка по фазе и калибровка по модулю. Калибровка по фазе заключается в выравнивании электрических длин опор-/ ного и измерительного каналова При этом вместо измеряемого объ екта в контактное устройство 8 устанавливается отрезок линии передачи и с помощью управляемого фазовращателя 20 устанавливают нулевые показания индикатора 40 блока 15, При этом соотношение (З ) преобразуется к виду /С , Tee, устанавливается однозначное соответствие между фазовым углом с. и временной задержкой t, Калибровка по модулю также гфо изводится при установленном отрезке линии передачи вместо четырехполюсника СВЧ, Регулировкой в блоке

7 добиваются нулевых показаний индикатора,

II

I

Таким образом, обеспечивается измерение ККП нелинейных четырехполюсников СВЧ по первой и высшим гармони.кам.

Формула изобретения

Устройство для измерения комплексного коэффициента передачи четырехполюсника СВЧ, содержащее последовательно соединенные генератор СВЧ и делитель, последовательно соединенные управляемый фазовращатель и первый вентиль, управляемый аттенюатор, сумматор и блок измерения, фазы, отличающееся тем, что, с целью обеспечения измерений нелинейных четырехполюсников СВЧ и автоматизации измерений, первый выход делителя через введенные последовательно соединенные второй вентиль, первый направленный ответвитель, контактное устройство, перестраиваеМ)1й полосовой фильтр, и второй направленный ответвитель соединен с первым входом сумматора, второй выход делителя через введенный третий вентиль соединен с входом управляемого аттенюатора, выход которого через введенный однополюсный модулятор соединен .. с входом управляемого фазовращателя, выход первого вентиля через введенный третий направленный ответвитель подключен к второму входу сумматора, ориентированный на падающую волну вторичный канап первого направленного ответвителя через введенные последовательно соединенные первый датчик мощ.ности и первый усилитель постоянного тока подсоединен к первому входу введенного блока измерения модуля и входу автоматической регулировки мощности генератора СВЧ, ориентированный на падающую волну вторичный канал второго направленного ответвителя через введенные последовательно соединенные второй датчик мощности и второй усилитель постоянного тока подсоединен к второму входу блока измерения модуля и первому входу введенного блока сравнения, второй вход котрого через введенные последовательно соединенные третий усилитель постоянного тока и третий датчик мощности соединен с ориентированным на падающую волну вторичным каналом третьего направленного ответвителя, а выход через введенный интегратор соединен с управляющим входом управляемо.го аттенюатора, выход- кода частоты введенного блока ввода подсоединен к цифровым входам управления частотой генератора СВЧ и введенного блока ввода номера гармоники, выход кода мощности блока ввода соединен с цифровым входом управления мощностью генератора СВЧ, токовый выход блока ввода номера гармоники соединен с входом управления перестраиваемого полосового фильтра, а выход кода номера гармоники - с входом кода номера гармоники блока измерения фазы, низкочастотный выход которого подключен к модулирующему входу однополосного модулятора, а выход сумматора подключен к входу блока измерения фазы.

Фиг.1

Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения - обеспечение измерения нелинейных четырехполюсников СВЧ и автоматизация измерений. Устройство для измерения комплексного коэффициента передачи (ККП) четырехполюсника СВЧ содержит СВЧ-генератор 1, делитель 2, вентиль 3, направленные ответвители 4, 10 и 21, датчики 5, 11 и 22 мощности, усилители 6, 12 и 23 постоянного тока, блок 7 измерения модуля, контактное устройство 8, перестраиваемый полосовой фильтр 9, блок 13 сравнения сумматор 14, блок 15 измерения фазы, однополосный модулятор 16, вентиль 17, управляемый аттенюатор 18, управляемый фазовращатель 19, вентиль 20, блок 24 ввода, блок 25 ввода номера гармоники, интегратор 26. Определение фазы происходит путем измерения временной задержки методом заполнения временного интервала счетными импульсами. Модуль коэффициента передачи определяет блок 7 по отношению напряжения сигнала, прошедшего через четырехполюсник СВЧ, к напряжению сигнала, снимаемого с датчика 5 и усиленного усилителем 6. Устройство обеспечивает измерение ККП нелинейных четырехполюсников СВЧ по первой и высшим гармоникам. 7 ил.

Фиг. 2

/Г однополюсному f. модул я т ору

1596275

от выхода CB Ci Mumopa

сигнал от 5лощ ввода номера е,армонцт

кразъепи

связи

сЭдП

Сигнал

тгМ

Фие.,

Крозъеми

-у связи

с ЭВМ

I

У

50

A

измерения (разы МО

I /fCB.

7/y

Фиг. 6

код уровня

Фаг. 7