Устройство для измерения сдвига фаз в четырехполюснике Советский патент 1991 года по МПК G01R27/28 

Фиъ.1

правленный ответвитель (НО) 5, 6, введены усилители 17,19, формирователи импульсов (ФИ) 18, 20, при этом выходы НО и ФИ подключены к входам первого 3 и второго 21 коммутаторов соответственно. Выходные сигналы второго коммутатора 21 подключены к S-входам RS-триггеров 23. 24, управляющих через элемент И-НЕ 27 работой счетчика 26, подключенного одним из входов к выходу второго коммутатора 21. Выход элемента И-НЕ 27 соединен с управляющим входом блока 28 интерфейса, подключенного к вычислителю 29 и блоку 13 управления, управляющему работой первого 3, второго 21 коммутаторов, измерителя 14 мощности, дискретного фазовращателя 4 и третьего коммутатора 22, к входам которого подключены выходы трех мостов 8, 9, 10, сигналы на которые подаются с каналов связи обоих НО 5, 6. Выход третьего коммутатора 22 подключен к измерителю 14 мощности, выход которого, а также выход счетчика 26 подключены к информационным входам блока 28 интерфейса, 2 ил.

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых сдвигов произвольной величины различных устройств и трактов СВЧ-диапазона. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет обеспечения измерения сдвига фаз СВЧ-четырехполюсников любой физической структуры с произвольной электрической длиной при пороговом изменении сдвига фаз более 360° и плавном изменении в диапазоне 0-360°. При этом расширяются функциональные возможности, заключающиеся в проведении совместной статической обработки обоих режимов измерения, что обеспечивается их коррелированно- стью. Для этого в устройство, содержащее СВЧ-генератор 1, сигнал которого через импульсный модулятор 16 и делитель 2 мощности поступает на опорный и измерительный каналы, каждый из которых содержит на

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к фазомет- рической аппаратуре СВЧ-диапазона, и может быть использовано для измерения фазовых сдвигов произвольной величины различных устройств и трактов СВЧ-диапазона.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем обеспечения измерения сдвига фаз СВЧ-четырехполюс- ников любой физической структуры с произ- вольной электрической длиной при пороговом измерении сдвига фазы более 360° и плавном измерении сдвигов фазы в диапазоне 0-360°, при этом расширяются функциональные возможности, заключающиеся в проведении совместной статистической обработке обоих режимов измерения, что обеспечивается их коррели- рованностью.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Устройство содержит СВЧ-генератор 1, делитель 2 мощности, первый коммутатор 3, дискретный фазовращатель 4, первый 5 и второй 6 направленные ответвители, первый 7, второй 8, третий 9 и четвертый 10 мосты, первую 11 и вторую 12 нагрузки, блок 13 управления, измеритель 14 мощности, импульсный генератор 15, импульсный модулятор 16, первый усилитель 17, первый формирователь 18 импульсов, второйусили- тель 19, второй формирователь 20 импульсов, второй 21 -и третий 22 коммутаторы, первый 23 и второй 24 RS-триггеры, элемент 25 задержки, счетчик 26, элемент И-НЕ 27, блок 28 интерфейса, вычислитель 29, а также измеряемый четырехполюсник 30. При этом выход СВЧ-генератора 1 через импульсный модулятор 16 подключен к входу делителя 2 мощности, первый выход которого

через последовательно соединенные измеряемый четырехполюсник 30 и второй направленный ответвитель 6 подключен к первому входу первого коммутатора 3, к второму входу которого через последовательно соединенные дискретный фазовращатель 4 и первый направленный ответвитель 5 подключен второй выход делителя 2 мощности. Выходы первого коммутатора 3 через первый усилитель 17 и формирователь 18 импульсов и вторые усилитель 19 и формирователь 20 импульсов подключены соответственно к первому и второму входам второго коммутатора 21, выходы которых

подключены к S-входам первого 23 и второго 24 RS-триггеров, выходы которых через элемент И-НЕ 27 подключены к входу блока 28 интерфейса и входу разрешения счетчика 26. Второй выход первого направленного

ответвителя 5 через последовательно соединенные первый 7 и третий 9 мосты подключен к одному из входов третьего коммутатора 22, второй выход второго направленного ответвителя 6 через второй 8 и

четвертый 10 мосты подключен к второму, третьему и четвертому входам третьего коммутатора 22, выход которого подключен к входу измерителя 14 мощности, при этом выходы блока 13 управления подключены к

управляющим входам коммутаторов 3, 21 и 22, фазовращателя 4 и измерителя 14 мощности.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал от СВЧ-генератора 1 (фиг. 1) проходит через импульсныйг модулятор 16, где он моделируется импульсами от импульсного генератора 15 длительностью гт (фиг. 2а-в). Импульсный СВЧ-сигнал делится по мощности пополам в делителе 2 мощности и поступает в опорный и измерительный каналы устройства, предварительно сбалансированные по затуханию в зависимости от коэффициента передачи по мощности измеряемого четырехполюсника (соответствующие аттенюаторы условно не показаны). Опорный сигнал, пройдя через дискретный фазовращатель 4, имеющий два состояния 0 и 180° и находящийся в состоянии 0°, поступает на вход направленного ответвителя 5. Измерительный сигнал через измеряемый четырехполюсник 30 поступает на вход направленного ответвителя 6. Измерительный сигнал с выхода последнего поступает на первый вход первого коммутатора 3, опорный сигнал с первого выхода направленного ответвителя 5 поступает на второй вход первого коммутатора 3, с выходов которого опорный и измерительный сигналы поступают на соответствующие усилители 17 и 19 и далее на входы формирователей 18 и 20 импульсов, где при достижении синусоидальными сигналами порогов срабатывания формирователей на их выходах формируются прямоугольные импульсы (фиг. 2г - ж). Прямоугольные импульсы поступают на входы второго коммутатора 21, с первого выхода которого измерительный сигнал поступает на S-вход RS-триггера 24. находящегося в нулевом состоянии, а с его второго выхода опорный сигнал поступает на S-вход RS-триггера 23, находящегося так же в нулевом состоянии, и через элемент 25 задержки на счетный вход счетчика 26, находящегося в счетном режиме. На выходе элемента И- НЕ 27 присутствует уровень логической 1, который разрешает работу счетчика 26. Первый импульс последовательности, сформированной импульсным модулятором 16, приходящий на S-вход RS-триггера 23 переводит триггер в единичное состояние, однако состояние элемента И-НЕ остается неизменным до поступления первого импульса второй последовательности, прошедшей через измеряемый четырехполюсник и задержанной по времени относительно первой, поступает на S-вход RS-триггера 24. который переводит RS-триг- гер 24 в единичное состояние и формирует на входе элемента И-НЕ 27 управляющий импульс логического О, запрещающий счет счетчика 26. Таким образом в счетчике 26 оказывается записанным число импульсов Nt. Число периодов сигнала СВЧ-гене- ратора, задержанных в измеряемом четырехполюснике 30, равно Ni-1, соответствующее значение сдвига фазы в измеряемом четырехполюснике равно 2 п (Ni-1), где NI - целое число. Данное число NI по команде с выхода элемента И-НЕ 27, поступающий на управляющей вход блока 28 интерфейса, заносится через блок 28 интерфейса в вычислитель 29. Следует отметить, что значение задержки элемента 25 выбирается с учетом суммарного времени срабатывания 5 триггеров 23 и 24 и задержки элемента И-НЕ 27, а также для компенсации разности задержек измерительного и опорного каналов.

На точность определения целого числа периодов сдвига фазы в четырехполюснике

0 влияют следующие факторы: конечная длительность фронтов радиоимпульсных сигналов, разное значение коэффициентов передачи усилителей 17 и 19 и разные пороги срабатывания формирователей 18 и 20,

5 случайное значение начальной фазы сигнала СВЧ-генератора 1, аддитивная шумовая помеха.

Для того, чтобы искпючить влияние данных факторов на точность измерения, после

0 занесения числа NI в память вычислителя 29 она выдает через блок 28 интерфейса и блок 13 управления команду на измерение состояния первого 3 и второго 21 коммутаторов. По данной команде выход измерительного

5 канала подключается к входу усилителя 17, выход формирователя 18 к S-входу RS-триггера 24, а выход опорного канала соответственно подается через усилитель 19 и формирователь 20 на S-вход триггера 23.

0 После чего повторяется процедура определения числа N2 (фиг. 2о - т) и в вычислителе происходит подсчет истинного значения по следующей формуле:

35

М0

Ni,+ N2

справедливость данного выражения иллюстрируется временными диаграммами (фиг. 2).

Одновременно с началом каждого счета целого числа сдвига фазы NI вычислитель 29 формирует команду на счет сдвига фазы в интервале 0-360° (Д#) , который производится за время счета числа NI следующим

образом. Опорный сигнал с выхода канала связи направленного ответвителя 5 поступает на вход моста 7, где он делится по мощности пополам. С выходов моста 7 два сигнала сдвинутые по фазе на 90° один относительно другого поступают на соответствующие входы мостов 9 и 8. Один вход первого 7 и один вход третьего 9 мостов нагружены на согласованные нагрузки 11 и 12. Опорный сигнал, пройдя через третий

мост 9, также делится по мощности пополам, и сигнал, пропорциональный опорному сигналу, поступает на один из четырех входов третьего коммутатора 22, второй сигнал с выхода третьего моста 9 и сдвинутый относительно первого по фазе на 90° поступает на вход четвертого моста 10. С выхода канала связи направленного ответвителя б изме- рительный сигнал поступает на вход второго моста 8 и, пройдя через него, образует с опорным сигналом на соответствующем входе третьего коммутатора 22 разностный сигнал, а на соответствующем входе четвертого моста 10 суммарный сигнал. С выходов четвертого моста 10 на остальные два входа третьего коммутатора 22 поступают суммарно-разностные сигналы опорного и измерительного каналов. Для уменьшения погрешности измерения фазы в пределах от 0-360° вместо четырех измерителей мощности используется один, к входу которого по командам блока управления третий коммутатор 22 производит последовательное подключение выход- ныу сигналов мостов 8 - 10. Выходные сигналы с выхода измерителя 14 мощности поступают через блок 28 интерфейса в вычислитель 29, где подсчитывается значение фазы по следующим соотношениям: )

Pld21 + P2d22 + P3d23 + P4d24

где а - комплексная амплитуда опорного сигнала на выходе направленного ответвителя 5;

b - комплексная амплитуда измеряемого сигнала на выходе направленного ответвителя 6;

Pi - Р4 - мощность сигнала, измеренная измерителем 14 мощности, на первом - четвертом входах коммутатора 22 соответственно.

Элементы матрицы dnd44 находятся при калибровке перед началом измерений путем исключения из тракта измеряемого четырехполюсника.

Дополнительно следует указать, что если лежит вблизи 0 или 360°, то возможно возникновение дополнительной ошибки в определении целого числа периодов. Для

того, чтобы исключить данную погрешность при A(f 360 °. п± 45°, где п 0,1,.., вычислитель 29 подает команду через блок 13 управления на дискретный фазовращатель 4, который увеличивает сдвиг фазы в

опорном канале на 180°. Переключение фазовращателя производится в интервале между пачками импульсов, после чего повторяется процесс измерения NI (фиг. 2и - н), значение NI, полученное при первом положении фазовращателя, отбрасывается, а измерение производится с учетом значения фазы фазовращателя.

Для снижения погрешности измерения производится п (п 10-20) циклов, результаты измерений статистически обрабатываются в ЗВМ, где определяется истинное значение сдвига фазы в четырехполюснике:

25

р Т(М0-1)+ Ар, где Т - период колебаний генератора 1.

Формула изобретения Устройство для измерения сдвига фаз в

четырехполюснике, содержащее СВЧ-гене- ратор, делитель мощности, первый коммутатор, дискретный фазовращатель, первый и второй направленные ответвители, первый, второй, третий и четвертый мосты, первую и вторую нагрузки, блок управления, измеритель мощности, отличающееся тем, что, с целью повышения точности при расширении функциональных возможностей, в него введены импульсный генератор,

импульсный модулятор, последовательно соединенные первый усилитель и первый формирователь импульсов, последовательно соединенные второй усилитель и второй формирователь импульсов, второй и третий

коммутаторы, два RS-триггера, элемент задержки, счетчик, элемент И-Н Е, блок интер- фейса и вычислитель, причем выход СВЧ-генератора через импульсный модулятор соединен с входом делителя мощности,

один из выходов которого через последовательно соединенные дискретный фазовращатель и первый направленный ответвитель связан с одним из входов первого коммутатора, другой вход которого через последовательно соединенные второй направленный ответвитель и измеряемый четырехполюсник соединен с другим входом делителя мощности, выходы первого коммутатора подключены к входам соответствующих усилителей, а выходы формирователей импульсов соединены с соответствующими входами второго коммутатора, подключенного выходами к S-входам соответствующих RS-триггеров, выходы которых соединены с входами элемента И-НЕ, подключенного выходом к входу запрета счетчика и управляющему входу блока интерфейса, выход сброса которого соединен с R-входами каждого триггера и счетчика, счетный вход которого через элемент задержки связан с одним из выходов второго коммутатора, выходы каналов связи первого и второго направленных ответвитблей подключены соответственно к одним из входов первого и второго мостов, выходы первого моста соответственно соединены с одним из входов третьего моста и другим входом второго моста, другие входы первого и третьего мостов подключены к соответствующим нагрузкам, один из выходов

второго и третьего мостов соединены с соответствующими входами четвертого моста, а их другие выходы и выходы четвертого моста связаны соответственно с входами

третьего коммутатора, подключенного выходом к входу измерителя мощности, выход которого соединен с одним из информационных входов блока интерфейса, другой информационный вход которого подключен

к выходу счетчика, управляющие входы дискретного фазовращателя, измерителя мощности и третьего коммутатора связаны с соответствующими выходами блока управления, управляющие входы первого и второ-.

го коммутаторов соединены между собой и подключены к соответствующему выходу блока управления, вход которого соединен с выходом блока интерфейса, подключенного входом-выходом к вычислителю, а выход

импульсного генератора соединен с управляющим входом импульсного модулятора.

а Выи СВЧ ген

8 Вы ИМ мм

8 Вых.

имо «а

.

г- лЛА/Ш /

г Выи

УС 17

д Выл УС/5

1 J 5 « 7 J

ЛУЩ1Ш

бШшпошш

К Вш УС «I

%ог

-щ

ЩМУ1

НУ Mil 11111155 и .

JIMR

ri Вык УС/7

mn.{i,ifliiL..r.r

Ь Вы Фиго

С Бчд ФИ(8

8-4МШШ

А&-Я1

Фиг. 5

11 i i « т i

Ж1 t nil

Пу„ фИ/Д

ifliiL..r.r

11 i i « т i

Ж1 t nil