Измеритель комплексного коэффициента отражения Советский патент 1991 года по МПК G01R27/06 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в автоматических измерительных системах и приборах встроенного контроля и диагностики параметров волноводных трактов радиотехни ческих систем.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема измерителя комплексного коэффициента отражения; на фиг.2 - то же, блока управления.

Измеритель комплексного коэффициента отражения содержит блок 1 дискретной перестройки частоты, генератор 2 СВЧ, двухщелевой поляризационный датчик 3, исследуемый двухполюсник СВЧ k, отрезок 5 прямоугольного волновода, круглый волновод 6, щели 7,8 связи, первый 9 и второй 10 p-i-n-диоды, блок 11 управления, дискретную головку 12, первый, второй и третий блоки 13 - 15 выборки и хранения, первый сумматор 16, блок 17 вычитания, первый делитель 18, второй блок 19 вычитания, второй делитель 20, первый измеритель 21 отношений, первый квадратор 22, второй квад-р тор 23, зрктангенсный преО5

оо оо

со оо

образователь 2k, индикатор 25 фазы, второй сумматор 26, блок 27 извлечения квадратного корня, второй измеритель 28 отношений, индикатор 29 модуля.

Блок 11 управления содержит генератор 30, счетчик 31, схему 2 ИЛИ-НЕ 32, схему И 33 первый, второй, третий и четвертый блоки формиро- вания уровня.

Измеритель комплексного коэффициента отражения работает следующим образом.

Сигнал СВЧ генератора 2 Ет по сигналу с блока 1 на синхронизирующий вход СВЧ генератора 2 поступает через двухщелевой поляризационный датчик 3 к исследуемому двухполюснику Ц с некоторым комплексным коэффи- циентом отражения

Г,-|Г, (., (О

II I Гх I - модуль коэффициента отра-

жения СВЧ двухполюсника k; Фаза коэффициента отражения .

Отраженная волна инерферирует с падающей. Анализ распределения поля осуществляется с помощью двухщеле- вого поляризационного датчика 3. Расположение щелей 7,8 рассчитано так, что обеспечивается возбуждение прямой и обратной волн круговой поляризации независимо от частоты во всем рабочем диапазоне частот измерителя, соответствующем диапазону отрезка 5 прямоугольного волновода.

Обе щели 7,8 по размерам равны и располагаются вдоль радиуса круглого волновода 6. Круглый волновод 6 внутри имеет небольшое конусное сужение с переходом на канал меньшего диаметра. Эти особенности позволяют расширить полосу пропускания круглого волновода 6 (по колебанию Н ) до диапазона отрезка прямоугольного волновода 5.

В щелях 7, 8 размещены p-i-n-дио- ды 9,Ю, управление которыми осуществляется с первого и второго выходов блока 11.

Измеритель комплексного коффици- ента отражения работает в три такта. На интервале времени от 0 до Т/3, где Т - период коммутации, по сигналу с первого выхода блока 11 p-i-n- диод 9 открывает для СВЧ сигнала пер

вую щель 7, в то время как вторая щель 8 закрыта-.

На интервале времени от Т/3 до 2Т/3 открыта вторая щель 8 вторым p-i-n-диодом 10 по сигналу с второго выхода блока 11.

На интервале времени от 2Т/3 до Т открыты обе щели 7,8 и на детектор- ную головку 12 поступает суммарный сигнал.

Сигнал, поступающий на детекторную головку 12, представляет собой периодическую последовательность радиоимпульсов вида

U.

1

где К, - коэффициент передачи щели двухщелевого поляризационного датчика 3 в предположении, что щели 7 и 8 идентичны.

Сигнал U, детектируется квадратичным детектором детекторной головки

12, на выходе которой сигнал Un имеет вид периодической последовательности прямоугольных видеоимпульсов. Выходной сигнал UQ детекторной головки 12 является периодической функцией, которая на интервале, равном периоду

коммутации Т --, гдеQ - частота

коммутации p-i-n-диодов 9 и 10, имеет вид

(1+Jf;| 2/rJcosCfx) при (

K.KjE fr+jrJ+Z/Q/coeftf,-) K,,J-2 rJcosq ;jnPH Ittt

t Л

21

г

К,КдЕГ| , . (,х

,г

1+(Гх

J |г,| K,K Er i+|rx/+H|rx|+2/rx/cosg x +

+ cos J+2/rx/(Cos() +2/rx/cos Ч V + 2/rK/Zcos |+Zlrx/cos(x-/) )

2K,K n-/rx/ +2/r;(/ sin (ft при

,

(3)

где Кл - коэффициент передами квадра- тичного детектора детекторной

головки 12.

Блоки 13-15 по сигналам с третьего, четвертого и пятого выходов блока 11 выбирают из выходного сигнала детекторной головки 12 UQ соответственно сигнал Uj (при включенной щели 7 и выключенной щели 8); сигнал U (при включенной щели 8 и выключенной щели 7 (фиг.Зг)), сигнал U-j (при включенных щелях 7 и 8 (фиг.Зд). Напряжение U выбирается и хранится в блоке 13, напряжение U2 в блоке И, напряжение U - в блоке 15. Эти сигналы имеют вид

U, KEj l+/rx/+2/rx| ) Ut-raJ l +/rx|t-2/rx/co8Cfx(5)

и -K J i+/rx|Ј+2/rx )

где - коэффициент пропорциональности;

К - коэффициент передачи, блока 13-15 в предположении, что они идентичны.

Первый сумматор 16 суммирует сигналы U(и U, при этом напряжение U на его выходе имеет вид

U U, + U2 - 2КЕ2Г 1 + /Гх/2 (7)

Первый делитель 18 делит выходной сигнал U. первого сумматора 16 пополам. Напряжение U на его выходе имеет вид:

u5.fi-KE Mr,f. Св

Напряжение Uj подается на второй вход первого блока 17, на первый вход которого подается напряжение Uj с выхода первого блока 13. При этом напряжение на выходе 1Ь первого блока 17 имеет вид

U

6 и - -КЕ

ет вид

, - и9-КЕ 1 + ,/ ij н/Гх/г 2КЕг/Гх/со

С08ц9

(9)

ется на первый вход второго блока 19, на втррой вход которого подается сигнал . с выхода первого сумматора 16. При этом напряжение на выходе U-, второго блока 19 имеет вид

U U3 - U 4KEj/rx|sinCpjr.(10)

Второй делитель 20 делит напряжение U- пополам

Ug У1 sintfx. (11)

Напряжение U подается на вход делимого, а напряжение Ug - на вход делителя первого измерителя 21. Тогда согласно выражениям (9) и (11) сигнал на выходе измерителя 21 имеет

вид

Уё к 9 Л3ц6 V 2KE2/f-x7coSq x

К

25

K,tg(f,

(12)

где К.. - коэффициент передачи первого измерителя 21. Сигнал Utj подается на арктангенс- ный преобразователи 2b, сигнал U10 на выходе которого имеет вид

U(fl K4arctg (U9) K4CfX; (13)

где К - коэффициент передачи арктан- генсного преобразователя 2, при условии К-j 1. Сигнал с выхода арктангенсного преобразователя 2k подается на индика- тор 25, шкала которого калибруется непосредственно в значениях фазы комплексного коэффициента отражения.

Напряжение U подается также на вход первого квадратора 22, сигнал U4 на выходе которого имеет вид

и« (2KE /rJcOSq)x)2

- 4кгЕр/Гх( cosZq x .(14)

Напряжение Ug подается также на вход второго квадратора 23, сигнал на выходе которого имеет вид

55

(2KE /rx/sinq x) 4K2Er-/r,/sin2C/V

(15)

Изобретение относится к радио- измерительной технике и MOWCI быть использовано в автоматических измерительных системах и приборах встроенного контроля и диагностики параметров волноводных трактов радиотехнических систем. Цель изобретения - повышение точности измерения . Принцип работы измерителя основан на периодической коммутации в общий канал сигналов от двухщелевого поляризационного датчика при помощи p-i-п-диодов, установленных в щелях связи. Информация о модуле и фазе коэффициента отражения получается путем обработки трех сигналов. Первый сигнал получается, когда открыта первая щель, а вторая закрыта . Вторая - когда первая щель закрыта, а вторая - открыта. сигнал формируется, когда открыть; обе щели (этот сигнал является калибровочным). Полезная информация накапливается в блоках выборки и хранение, а затем обрабатывается аналоговым путем. Переход на другую частоту осуществляется по сигналу с блока дискретной частоты. 2 ил. е S (Л

Одновременно с этим напряжение Uj с выхода третьего блока 15 подаНапряжение U1( и подаются соответственно на первый и второй выходы

второго сумматора 2(з, который суммирует эти сигналы. Тогда согласно (НО и (15) сигнал и,, на выходе сумматора имеет вид

22

U,,+ 4К Er/f-x/(sinCfx-b

) 4К ЕГ/Гх .

(16)

В блоке 27 осуществляется операция извлечения квадратного корня из сигнала Uta- Тогда напряжение U на выходе блока извлечения квадратного корня имеет вид

U

н

л|и„ 2КЕГ|ГХ/. (17)

Напряжение U подается на вход делимого а напряжение U4 - на вход делителя второго измерителя 28, сигнал U, (7) К„ К0, имеет вид

;,Ј на выходе которого согласно и (17), учитывая,

что К К1х

Т

п - к Hit K5U4

К

2Ki KiKjE J Гх / „ /ГХ1 ,

2к, ,К

где

К5

коэффициент передачи второго измерителя 28 отношений. Таким образом, в выражении (18) отсутствуют коэффициенты К, К, . и значение амплитуды падающей волны

Т

т.е. полностью исключена зависимость результата измерения от коэффициента передачи щелей 7,8 блоков 13-15, а главное - от коэффициента передачи квадратичного детектора детекторной головки 12. Кроме того, исключена зависимость результата измерения от изменений уровня СВЧ мощности СВЧ генератора 1. Последнее особенно важно, так как позволяет не применять в измерителях комплексного отражения систем автоматической регулировки мощности, что является существенным при построении систем встроенного контроля и диагностики.

Напряжение U«подается на индикатор 29, шкала которого калибруется непосредственно в значениях / Гх/.

Необходимо отметить, что в выражении (18) отсутствует линейная зависимость между напряжением и,и измеряемой величиной / Гц /, поэтому при использовании прибора с линейной шкалой будет иметь место систематичесмиумCfx-b

16)

аизна го

10

15

7)

од ход сигно

х

20

25

,

18)

30

кая погрешность, относительное значение которой определяется из (18)

/г/ /ГЛ

Мгх/ /гх г;/гх 7п7

1

т

i+/rx/z (19)

Из (19) видно, что при изменении |П,/от 0 до 1 погрешность изменяется в, пределах от 0 до 50%. При /Гх/Ј0,2 (КстиЈ1,5) погрешность составляет менее (%. Таким образом, линейной шкалой можно пользоваться лишь при малых . Для исключения этой погрешности следует пользоваться индикатором 29 с нелинейной шкалой, изготовленной в соответствии с (18) или проводить коррекцию результатов измерений. При использовании линейной шкалой полагаем

/ГХ/

1 +7гхГ

где|Г м|- измеренный результат с применением линейной шкалы. Решая последнее уравнение относительно истинного значения / гу / , получим выражение

/г,

к к5/Гизм/, 20)

/Ч

Использование (21) позволяет при применении линейной шкалы получить точный результат.

Блок 11 может быть реализован разнообразными схемотехническими решениями. Один из вариантов построения блока 11 приведен на фиг.2. Блок 11 состоит из следующих узлов: генератора 30 прямоугольных импульсов,- двоичного счетчика 31, схемы 2ИЛИ-НЕ 32, схемы И 33 и четырех блоков 3/ формирования уровня.

Блок 11 функционирует следующим образом.

Сигнал с генератора 30 поступает на счетный вход счетчика 31. С первого выхода счетчика 31 сигнал двоичного кода поступает на управляющий вход первого блока 13 и на первый блок 3, который преобразует цифровой сигнал в аналоговое напряжение, необходимое для управления первым p-i-n-диодом 9 С второго выхода счетчика 31 сигнал двоичного кода поступает на управляющий вход второч1

го блока и на второй блок 35, который преобразует цифровой сигнал в анало овое напряжение, необходимое для управления вторым p-i-n-диодом 10. При наличии на первом и втором выходах счетчика 31 двух логических нулей схема 2ИЛИ-НЕ 32 вырабатывает сигнал, который поступает на управляющий вход третьего блока 15 и на третий и четвертый блоки 3& и 37, которые преобразуют цифровой сигнал в аналоговые напряжения, необходимые для управления первым и вторым p-i-n диодами 3 и 10.

При наличии на первом и втором выходах двоичного счетчика 31 двух логических единиц схема И 33 вырабатывает сигнал Сброс, обнуляющий счетчик 31. В выключенном состоянии блоки должны находиться в высо коимпедансном состоянии.

Таким образом, введение в измеритель новых блоков позволяет значително упростить конструкцию (благодаря исключению сложной механической системы) , автоматизировать процесс измерения, а главное - повысить точность измерения за счет исключения мультипликативной погрешности, обусловленной зависимостью результата измерения от коэффициента передачи щели связи, коэффициента передачи квадратичного детектора и уровня СВЧ мощности. Последнее особенно ваы но, так как позволяет не применять систему автоматической регулировки мощности.

Формула изобретения

Измеритель комплексного коэффициента отражения, содержащий последовательно соединенные генератор СВЧ, двухщелевой поляризационный датчик с отрезком прямоугольного волновода, на широкой стенке которого закреплен круглый волновод, связанный с ним двумя щелями связи, причем выход отрезка прямоугольного волновода является входом для подсоединения исследуемого двухполюсника СВЧ, детекторную головку, размещенную в круглом волноводе, индикатор модуля, индикатор фазы и блок управления, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, введены блок дискретной перестройки

33

I D

5

0

частоты, три блока ныП i . и г-,- нения, деа p-i -п-диод,, ррт ра, два блока вычитания, дна делителя, два измерителя отношений, два квадратора, арктангенсный преобртзо- ватель и блок извлечения квадратного корня, при этом первый и второй y-i-n-диоды располагаются соответсi- венно в первой и второй щелях связи двухщелевого поляризационного датчика, выход детекторной головки соединен с входами первого, второго и третьего блоков выборки и хранения, управляющие входы которых соединены соответственно с третьим, четвертым и пятым выходами блока управления, первый и второй выходы которого соедине - ны соответственно с управляющими входами первого и второго р-з-п-диодов, причем выход первого блока выборки и хранения соединен с первым входом первого сумматора и первым входом первого блока вычитания, выход второго

5 блока выборки и хранения соединен с вторым входом первого сумматора, а выход третьего блока выборки и хранения - с первым входом второго блока вычитания, выход первого сумматора соединен с первым входом второго измерителя отношений, входом первого делителя и вторым входом второго блока вычитания, выход первого делителя соединен с вторым входом первого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом первого измерителя отношений и входом первого квадратора, выход второго блока вычитания соединен с входом второго делителя, выход которого соединен с вторым входом первого измерителя отношений и входом второго квадратора, при этом выход первого измерителя отношений через арктангенсный

5 преобразователь соединен с входом индикатора фазы, выходы первого и второго квадраторов соединены соответственно с первым и вторым входами второго сумматора, выход которого

Q через блок извлечения квадратного корня, соединен с вторым входом второго измерителя отношений, выход второго измерителя отношений соединен с входом индикатора модуля, а выход блока дискретной перестройки частоты соединен с синхронизирующим входом генератора СВЧ.

0

5

0

5

Щиг.1

к блоку 13-ч

к блоку 14

к блоку 15

®иг.2

p-i-n- к р- i-n- Эиоду 9диод / Ю