Способ измерения фазовых сдвигов Советский патент 1991 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к радиотехнике и измерительной технике и может быть использовано в радиосистемах для измерения фазовых характеристик радиосигналов, а также для исследования фазовых характеристик многополюсников различного назначения.

Цель изобретения - повышение разрешающей способности и точности.

На чертеже приведена структурная схема измерителя,реализующего способ измерения фазовых сдвигов.

Устройство содержит однополосные модуляторы (ОМР) 1 и 2, разветвитель 3, фазовращатель 4, разветви гель 5, модулирующий генератор 6, формирователь 7 опорного напряжения, модулирующий генератор 8, преобразователь 9 частоты (ПРЧ), индикатор 10, преобразователь 11 частоты и вычитатель 12. Выход однополосного модулятора 1 через разветвитель 3 соединен со входами фазовращателя 4 и одним входом преобразователя 9 частоты, второй вход которого соединен с выходом разветвителя 5, другой выход которого соединен с одним входом преобразователя 11 частоты, а вход - с выходом однополосного модулятора 2. Второй вход преобразователя 11 частоты соидисл

нен с выходом фазовращателя 4. Первые входы однополосных модуляторов 1 и 2 соединены с клеммами входных сигналов. Второй вход модулятора 1 соединен с выходом модулирующего генератора 6, другой выход которого соединен со входом формирователя 7 опорного напряжения, другой вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 8, второй выход которого соединен со вторым входом однополосного модулятора 2. Выходы преобразователей 9 и 11 частоты через вычита- тель 12,соединены с одним входом индикатора 10, другой вход которого соединен с выходом формирователя 7 опорного напряжения.

Способ измерения фазовых сдвигов между двумя сигналами на высоких или сверхвысоких частотах состоит в следующем. Сравниваемые сигналы

ei Eicos( wt+ (p),

62 E2COS ОП

О) (2)

с амплитудами Ei и Еа и измеряемым фазовым сдвигом (р подвергают однополосной модуляции в ОМР 1 и 2 модулирующими напряжениями неодинаковых частот EI и Еа, которые поступают из модулирующих генераторов 6 и 8. На выходах модуляторов получают сигналы, состоящие из полезной смещенной компоненты и по крайней мере двух наибольших по уровням паразитных компонент - остатка несущей и зеркальной боковой. Уровни перечисленных компонент обозначим через коэффициенты Дър шДа в канале ОМР 1 и уп,Ун и уэ в канале ОМР 2, где индексы означают соответственно принадлежность к полезной боковой, несущей и зеркальной боковой компонентам сигналов.

Модулированные сигналы разветвляют с помощью разветвителей 3 и 5 и подают на ПРЧ 9 и 11 соответственно. Причем, из раз- ветвителя 3 на ПРЧ 11 сигнал поступает через фазовращатель 4, который вносит дополнительный фазовый сдвиг 0.

В ПРЧ 9 и 11 осуществляют операции преобразования частоты сигналов в ПЧ измерительного напряжения, которое в аргументе содержит информацию о фазовом сдвиге. Одной из особенностей способа является то, что осуществляют преобразование частоты четной степени, например, большой четной степени. Степень преобразования определяется степенью полинома, с помощью которого может быть описана характеристика ПРЧ. Следовательно, может быть обеспечено преобразование:

второй степени, ПЧ Fn Fi(+)F2; (3) четвертой степени, ПЧ FIV 2(Fi(+)F2); (4) шестой степени, ПЧ FVI 3(Fi(+) (5) восьмой степени, ПЧ Fvill 4(Fi(+)F2) (6)

и т.д.

где знак в ПЧ зависит от направления смещения частоты сигналов. Обычно при преобразовании частоты используют преобразование второй степени, приводящее к линейному преобразованию сигналов. Однако можно показать, что и при использовании преобразования частоты более высокой четной степени сохраняется линейность преобразования фазовых сдвигов.

Преобразования частоты могут быть реализованы каждое с помощью отдельного ПРЧ или в одном ПРЧ. В первом случае обеспечивается более высокая точность измерений, так как более высокие степени преобразования не вносят отрицательного вклада в результат более низких степеней преобразования. Поэтому ему следует отдавать предпочтение.

В качестве ПЧ используют гармоники (компоненты) соответствующих измерительных напряжений комбинационных частот (3), (4) и т.д.. номер которых в два раза меньше используемой степени преобразования. Напряжение ПЧ непосредственно или через вычитатель 12 поступает в индикатор 10, где обеспечивается измерение фазового сдвига.

Опорное напряжение требуемой комбинационной ПЧ формируют в формирователе 7 из модулирующих напряжений генераторов б и 8. По отношению к нему в индикаторе 10 измеряют фазовый сдвиг.

Измерительные напряжения ПЧ на выходе преобразователя 9 при описании характеристики ПРЧ уравнением второй, четвертой и т.д. степени имеют вид

Ui KiEiE2j8nyh /cos Г(Й| -Si)t + + I L

(a-) я

Ui КгЕ, 2Ег 2/3,y5 (cos 2 ft чI-2Јi)

J рпУп

KCOs(20,-2«z)t-20 +

+ K3 HrCos(2Qi-2«OtU (8)

pn УПj

где Ki, K2, Кз... - постоянные коэффициенты

Дальнейший анализ проводится с учетом следующих выполняющихся на практике положений.

1.При различных четных степенях преобразования и выборе оговоренных ПЧ сохраняется линейность преобразования фазового сдвига и рост разрешающей способности по фазе. Это позволяет при дальнейшем конкретном анализе ограничиться рассмотрением преобразований второй и четвертой степеней.

2.Структура ПЧ выбрана из соображений минимального количества компонент в напряжениях (7), (8) и т.д., в том числе и паразитных компонент. Это обеспечивает максимально возможную точность измерений при относительно простой реализации.

Одним из режимов измерений является использование преобразования частоты четвертой степени, а в качестве ПЧ использование второй гармоники соответствующих напряжений комбинационных частот (4). Этому режиму соответствует измерительное напряжение (8). Из его анализа следует, что разрешающая способность по фазе увеличилась в два раза. Однако цикл изменения фазы уменьшился в два раза, что является недостатком. Этот недостаток можно исключить путем измерения фазо вых сдвигов также с помощью напряжения (7), обусловленного квадратичным членом характеристики ПРЧ.

В измерительном напряжении (8) первый член является полезным, а второй и третий - паразитными, приводящими к погрешности измерений, Значения погрешностей определяются по формулам

0332y3//3n})sin4p,

Др2 (К3/ зУз/Д1Уп)5т2р. (10)

Вторая погрешность по максимальному значению превосходит первую. Целесообразно ее влияние свести к минимуму.

С этой целью преобразование частоты выполняют балансным, для чего используют ПРЧ 11, сигналы на который поступают с разветвителя 3 через фазовращатель 4 и с разветвителя 5. Если фазовращатель 4 обеспечивает фазовый сдвиг 0 90°, то на выходе ПРЧ 1 1; характеристика которого описывается уравнением четвертой степени, получим измерительное напряжение ПЧ

U KaEfe yHcos f(2Qi -2Q)t +

v2- + 2 + 180° + Јр|

J /ЗпУп

,cos Г(2О| -2 Q) -t -2 -180° + + (20)-2О)4. (11)

5Pn) nJ

Напряжения (8) и (11) поступают на вычита- тель 12, в качестве которого может использоваться дифференциальный усилитель. На выходе вычитателя 12 получают измери- 10 тельное напряжение

U2u U2 - U;U 2К2ЕМ/М

+

Л COS f(2Qi -2Q) +

§4COS r(2Ql-2QO-t-2H l pnyfi LJJ-

20

которое не содержит паразитной компонен

ты, обусловившей погрешность (10). Таким образом, обеспечивается повышение точности измерений.

Для оценки неисключенной составляю25 щей погрешности (9) предположим что Дз - Уз . Уп 1. Максимальное значение погрешности (9) не превышает 0,6°, 0,1 ° и 0,01°, если относительный уровень зеркальной компоненты не превышает соответ30 ственно -10 дБ, -14 дБ и -19 дБ. Эти требования к зеркальной компоненте даже для очень малой погрешности выполнить легко. Далее, поскольку погрешность не зависит от остатка несущей компоненты, то

35 требования к ее подавлению не предъявляются. Это дополнительно упрощает реализацию модуляторов.

Из сравнения напряжения (7),по которому в прототипе обеспечивают измерения, а

40 в предложенном способе формируют обзорную шкалу, и напряжения (12), обеспечивающего точные измерения, следует, что точность измерений по данной составляющей погрешности повышается в

45

(13)

раз и при Ј2. L. о,1 20 дБ составляет

РП УП 100 раз.

При измерении фазового сдвига погрешность (9) максимальна при (р (2п +

+ 1)22,5°, где п 0,1,2...,при измерении уровней сигналов аналогичная погрешность максимальна при р 2(п + 1)22,5°, этим фазовым сдвигам соответствует максимальный и минимальный уровень измерительного напряжения (12).

13 1

Недостатком измерений при использовании измерительных напряжений (8), (11), (12) и других, полученных при использовании преобразования более высоких четных степеней, является сужение зоны однознач- ности в коэффициент раз, равный половине степени преобразования.

Для обеспечения однозначного измерения фазового сдвига в пределах полного цикла 0...3600 при сохранении высокой разрешающей способности л повышенной точности осуществляют одновременное преобразование частоты второй, четвертой и т.д. степеней, а индикацию фазового сдвига осуществляют одновременно по измерительным напряжениям (7) и (8) или (12) и т.д. промежуточных частот, равных комбинации модулирующих частот (3), второй ее гармоники (4) или (и) третьей гармоники (5) и т.д. При реализации этого способа высокая точность измерений и одновременно высокая разрешающая способность обеспечиваются измерительным напряжением более высокой ПЧ, например, (8), а однозначное измерение в пределах полного цикла - измерительным напряжением наименьшей промежуточной частоты (7). Для реализации этих преимуществ достаточно иметь два измерительных напряжения - наименьшей ПЧ (7) и большей ПЧ, напряжение которой обеспечит требуемые характеристики измерений по разрешающей способности и тре- бованиям к ОМР. Использование преобразования частоты (7), (12) приводит к существенному выигрышу (13). Как отмечалось, все измерительные напряжения можно получить путем использования такого же числа ПРЧ с соответствующими преобразовательными характеристиками, или использования одного ПРЧ с преобразовательной характеристикой, содержащей члены необходимых четных степеней. В случае использования балансного преобразования частоты в один из сигналов после

разветвления следует ввести дополнительные фиксированные фазовые сдвиги.

Способ обеспечивает повышение разрешающей способности и ослабление требований к модуляторам и другим узлам, определяющим развязку между каналами. Возможность реализации высоких динамических характеристик и использования в различных диапазонах частот характеризует существенность научно-технического и экономического эффектов предложенного технического решения.

Формула изобретения

Способ измерения фазовых сдвигов,за- ключающийся в том, что оба сигнала подвергают однополосной модуляции модулирующими напряжениями неодинаковых частот, преобразуют промодулированные сигналы на постоянную промежуточную частоту и измеряют фазовый сдвиг между сигналами постоянной промежуточной частоты, отличающий- с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности, осуществляют преобразование второй и более высокой четной степени n-й частоты полученных в результате однополосной модуляции сигналов в двух каналах, причем во втором канале в один из

преобразованных сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг А 360/п,фор- мируют разностный сигнал из преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе

с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряют грубое и точное значения фазового сдвига соответственно, при последовательном выполнении

преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину сдвига фаз определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига.

П

Изобретение может быть использовано для измерения фазовых характеристик радиосигналов и исследования фазовых характеристик многополюсникрв. Цель - повышение разрешающей способности и ослабление требований к подавлению паразитных компонент спектра преобразованных сигналов. Способ включает однополосную модуляцию модулирующими напряжениями неодинаковых частот входных сигналов, преобразование промодули- рованных сигналов на постоянную промежуточную частоту второй и более высокой четной степени n-й частоты в двух каналах, причем во втором канале з один из преобразуемых сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Ду 360/п, формируют разностный сигнал из преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряют грубое и точное значения фазового сдвига соответственно при выполнении преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину фазового сднига определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига. Цель достигается путем компенсации в результате указанных операций паразитных компонент и уточнения результата, 1 ил.

D

-

D

-И г

A

9

ID