Способ фазирования и устранения неоднозначности фазирования СВЧ-трактов Советский патент 1992 года по МПК G01R29/10 

Изобретение относится к области СВЧ- техники, в частности к фазированию и устранению неоднозначности фазирования СВЧ-трактов распределителей СВЧ- мощности.

Известно, что распределители СВЧ- мощности, используемые в ФАР, должны удовлетворять техническим требованиям на равенство электрических длин каналов (электрической длиной канала называется произведение геометрической длины на коэффициент распространения СВЧ- сигнала в канале В 2тг/А, гдетг 3.14... -константа, Я-длина волны в канале), т.е. быть сфазиро- ванными.

Фазирование СВЧ- трактов можно производить путем измерения геометрических длин, однако этот способ не дает желаемой точности, поскольку не учитывает наличия неоднородностеи в каналах и не учитывает особенностей элементов, расположенных в каналах. Кроме этого прямое измерение геометрической длины канала не всегда возможно в силу ограниченного доступа к нему в радиосистеме.

Известен также способ фазирования СВЧ- трактов, основанный на подаче частотно-перестраиваемого сигнала на испытуемый и опорные каналы, измерении . частотных характеристик каждого из испытуемых каналов по сравнению с опорным, определении электрической Д Ф и геометрической Д L разнодлинностей СВЧ- трактов.

При этом способе измеряют фазоча- стотные характеристики (ФЧХ) каналов, определяют разницу электрических длин Д Ф Ф1 - Ф2, где Ф1 - значение электрической длины на прямой, наиболее близкой к ФЧХ в среднеквадратическом смысле, на нижней частоте диапазона fH, Ф2 - аналогично на верхней частоте диапазона fB, геометрическую разнодлинность вычисляют по форму ле.

со

с

ч

xj 4 |Ю 00 Ю

л i - АL°

t- U.

АФ

у fB - f,H 2 я где Лэ - рабочая длина волны в свободном пространстве,

fo - рабочая частота;

у- коэффициент изменения длины волны в канале (например, в прямоугольном волноводе с широкой стенкой Q и волной Ню-у V 1 - (Д/2а }г. в сверхразмерном волноводе круглого сечения с волной Hoi - у 1), (см., например, Г.Г.Бубнов и др. Коммутационный метод измерения характеристик ФАР, М., Радио и связь, 1988, с. 100).

Данный способ реализуется, например, с помощью фазометра, имеющего в своем составе генератор качающейся частоты, делитель 1:2, измеритель разности фаз (см., например, ехническое описание фазометра РФК-002 ЕЭ1.405.013 ТО).

Выравнивание электрических длин ка- налов, т.е. их фазирование в диапазоне частот при таком способе сводится к настройке (подбору) регулируемых линий задержки в каналах так, чтобы обеспечить минимальный наклон вышеупомянутой пря- мой, наиболее близкой всреднеквадратиче- ском смысле к измеряемой ФЧХ. Для фазирования на рабочей частоте обеспечивают совпадение значений ФЧХ разных ка- нало.в на этой частоте. В качестве регулируемых линий задержки могут использоваться настроечные фазовращатели (например, поршневые или тромбонные), сменные вставки (звенья линии передачи различной длины) и т.п.

К недостаткам этого способа следует отнести ограниченную точность измерения разности фаз Д Ф, а также сложность, а в

ряде случаев и невозможность организации

опорного канала, соизмеряемого по поте- рям с измеренным каналом, что требуется в техническом описании на фазометр.

Точность данного способа зависит от точности определения частоты и точности определения фазы. Определение фазы яв- ляется сложной технической задачей, связанной с разработкой и созданием измерителей разности фаз, решенной в настоящее время по частоте до средней части миллиметрового диапазона с точностью по- рядка 3-5°.

Наиболее близким техническим решением является способ фазирования, реализованный в устройстве для фазирования СВЧ- трактов, содержащее последователь- но соединенные генератор качающейся частоты и делитель, последовательно соединенные амплитудный детектор и селективный усилитель, а также генератор частоты модуляции, подключенный к управляющим входам модулирующих отражателей соединенных с выходом каждого из фазируемых СВЧ-трактов, и осциллографический индикатор, вход развертки которого подсоединен к управляющему выходу генератора качающейся частоты, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повышения точности, вход каждого СВЧ-тракта подключен к соответствующему выходу делителя через введенные последовательно соединенные зону и отрезок линии передачи, введены п - 1 амплитудных детекторов и селективных делителей, п синхронных детекторов, опорный вход каждого из которых соединен с выходом генератора частоты модуляции, сигнальный вход - с выходом соответствующего селективного усилителя, а выход - через каждый из п введенных формирователей коротких импульсов - с соответствующим входом введенного сумматора, выход которого подключен к сигнальному входу осциллографического индикатора, причем выход каждого зонда через амплитудный детектор подсоединен к входу соответствующего селективного усилителя.

Достигнутая точность фазирования составляет ± 3°, что совпадает с точностью фазирования с помощью фазометра, о чем сказано выше.

Целью настоящего изобретения является повышение точности фазирования.

Указанная цель достигается тем, что в способе фазирования и устранения неоднозначности фазирования СВЧ- трактов, заключающемся в подаче перестраиваемого по частоте сигнала на входы фазируемых СВЧ- трактов, регистрации выходных сигналов СВЧ- трактов и регулировке их длины, выходные сигналы фазируемых СВЧ-трактов суммируют и регистрируют разность частот, соответствующих соседним экстремумам огибающей суммарного сигнала, максимальное значение которой соответствует фазировке СВЧ- трактов.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию новизна. Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от указанного прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и, следовательно, обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию существенные отличия.

Осуществление заявляемого способа поясняется с помощью устройства, представляемого на фиг.1.

Сигнал от генератора 1 (с возможностью перестройки по частоте) подается через направленный ответвитель 2 на вход делителя СВЧ- мощности 3, имеющего один вход и N выходов с регулируемыми линиями задержки 4. Сигнал со второго выхода на- правленнто ответвителя подается на час- тотомер 5 Для контроля частоты. Сигналы с двух выходов делителя 3, например 6 и 7, поступают на два входа сумматора 8 (в качестве последнего может использоваться любой сумматор 2:1 с одинаковыми ко- эффициентами передачи по обоим каналам, например, в волноводной технике двойной Т-мост, щелевой сумматор и т.д.)на входе которого подключен регистрирующий прибор 9 - измеритель амплитуды СВЧ- колеба-

НИИ.

Возможна и модификация предложенной схемы измерений (см. фиг.2), заключающаяся в использовании в качестве генератора 1 - генератора качающейся час- тоты. Между выходом сумматора 8 и входо регистрирующего прибора 9 вводится амплитудный детектор 10. Выход направленного ответвителя 2 через детектор 10 также соединяется с регистрирующим прибором 9, в качестве которого используется измеритель НЧ амплитуды с разверткой по частоте.

Пусть геометрическая длина первого канала 6L, а второго 7L + Д L. Тогда на частоте f сигналы на выходе сумматора 8 образуют суперпозицию:

;г«ми

Ае +Ае

;(и

gjrill v 1

+ е

2fi ьЬ

Ае

/2. 2.Аеcos

/Sfrf &L VTTI,

4D

Т.е. огибающая G(f) сигнала U(f) равна

G(f) 2Acos ( у я )

V налах.

л 3,14... - константа; С Г

фазовая скорость волны в т.е. геометрическая разнодлинность испытуемых кангчов 6 и 7 однозначно определяется по разности частот соседних максимумов (минимумов) огибающей суммарного сигнала. В этом случае, если амплитуды в каналах не равны (но одного порядка по величине) и зависят от частоты, характер огибающей сигнала несколько усложняется. В этом случае формула (1) запишется в виде,«-,L ,«.„.„, «

U(

-Ј«...4.1 Be.2JC

«,/ , lU vfC-TI

P arctg{

Ч).МЛЧ1 Й.Л

(«.M«-{$,iMM( эд.

fMH(Mb

В -А

cos(f),

(5)

tg(

2лт Д1

):

В + А а v V 2 (5) следует, что огибающая суммарного - сигнала имеет вид

G(f) (A+B)cos()x

V

20 25

30

35

40

хУ7

)

(6)

В -f А э v V 2 т.е. функция имеет тот же период, что и G(f) в (2), а при В - А (6) переходит в (2).

Для выравнивания электрических длин в каналах имеются регулируемые линии задержки 4 с переменной длиной (см. фиг.1,2). Суммарный сигнал на выходе сумматора 8 в этом случае запишется в виде

е шиДЧ,,-

.дД Ю-3 №Ј..

ге« iL fit - ПГ 2

+ е

.„.ff l.

/2VriL ir

-(

(7)

Из (7) видно, что огибающая сигнала

G(f) cos

JT f

V

(AL + e)

(8)

Использование: изобретение относится к СВЧ-технике, в частности к фазированию и устранению неоднозначности фазирования СВЧ-трактов распределителей СВЧ- мощности Сущность изобретения заключается в подаче перестраиваемого по частоте сигнала на входы фазируемых СВЧ- трактов, регистрации выходных сигналов СВЧ-трактов и регулировке их длины, при этом выходные сигналы фазируемых СВЧ- трактов суммируют и регистрируют разность частот, соответствующих соседним экстремумам огибающего суммарного сигнала, максимальное значение которой соответствует фазировке СВЧ-трактов

Соседние максимумы (минимумы) огибающей сигналы возникают при изменении аргумента на л, т.е.

/ , 2jrAf AL

V 2

ткуда получаем V

Д1 2я

Af f

Af

ДФ ВД1

2jrf V V Af

(4)

зависит от длины регулируемой линии задержки: при изменении происходит сдвиг функции G(f) вдоль оси f и изменение ее

периода. При уменьшении разнодлинности каналов I L период огибающей неограниченно увеличивается и при I - Д L огибающая становится постоянной G(t) const. При выравнивании электрических длин каналов следует добиваться наибольшего периода огибающей (или максимального значения Д f - разности частот двух соседних максимумов), а в том случае, если в поле пропускания каналов наблюдается один

максимум огибающей, следует добиваться наиболее плоской вершины максимума. Предлагаемый метод позволяет сфазиро- вать каналы делителя на выбранной частоте и без выравнивания их электрических длин, Фазирование трактов между собой следует производить вначале, настраивая все каналы по отношению к опорному на минимум (т.е. в противофазе), а затем опорный канал подстраивают к любому из настроенных по максимуму (т.е. в фазе). Данная последовательность позволяет добиваться максимальной точности фазирования, т.е. огибающая суммарного сигнала имеет вид cos(x) и точность прямого фазирования по максимумам меньше, чем по минимумам, где крутизна кривой cos(x) максимальна,

Например, при рабочем диапазоне фазирования 0,3fo (fo - центральная частота диапазона), подстроечный фазовращатель в настраиваемом канале регулируется таким образом, что минимум огибающей совпадает с fo, а значения огибающей во всем рабочем диапазоне не превосходит минус 60 дБ от максимального значения. В этом случае разнос частот между соседними минимумами составляет A f 3,144), 3fo/0,001 0,001 1000fo и разность фаз между соседними

каналами не превосходит Д Ф 360° ---

0,36°. Указанная точность фазирования существенно выше, чем в прототипе.

Как сяедует из формулы (относительная точность определения геометрической и электрической разнодлинности д (/ .) / A L равна относительной точности определения разности частот д ( Д f)/ Д f

и, следовательно, при использовании генератора с высокой стабильностью частоты и высокоточного цифрового частотомера точность предлагаемого способа выше, чем прототип, поскольку не требуется прямое измерение фазочастотной характеристики, что вносит свою погрешность. Например, при точности измерения частоты с помощью частотомера a f (где а ), погрешность измерения A f составит 5(Дт)- crAf и, следовательно,

,10-6 10-4%.

что превосходит точность измерения A L в прототипе

Кроме этого следует отметить, что для измерения по способу, указанному в прототипе, в случае протяженных трактов (опорного и измеряемого) необходимо

дорабатывать серийный прибор в части уменьшения межблочных соединений, поскольку генераторный выход прибора должен соединиться с входами каналов, а приемный вход - с выходами, что также не

всегда возможно.

В качестве примера укажем результаты измерения разнодлинности схемы деления 1:2 с длиной каналов 30 м (несколько тысяч длин волн), выполненн.х на сверхразмерных волноводах с волной Ней (), вход и выходы которой расположены в труднодоступных местах. Использование серийного фазометра без доработки невозможно, опорный тракт для делителя не предусмотрен.

Измерения проводились по схеме, представленной на фиг.2 (протокол № 101 от 22.04.89, утвержденный главным инженером объекта монтажа). В качестве генератора 1 использовался генератор качающейся частоты прибора Р2-65; направленный от- ветвитель 2 с встроенным детектором - принадлежность прибора Р2-65; регистрирующий прибор 9 - индикаторный блок прибора Р2-65 (измеритель КСВН и ослаблений панорамный). Частота контролировалась встроенным частотомером (волномером) прибора Р2-65, На экране электронно-лучевой трубки прибора 9 наблюдалась картина

огибающей сигнала, зафиксированная двух- координатным самописцем (фиг.З).

Разность частот соседних максимумов составила 520 ± 10 МГц и найденная A L

577 ±11 мм (указанная точность допустима по заданию, что и позволило использовать составные части прибора Р2-65).

Технико-экономическая эффективность использования заявляемого технического

решения заключается в использовании бо лее простых, надежных при эксплуатации, особенно в полигонных условиях, и дешевых чем в прототипе приборов.

Общественно-полезным преимуществом предложенного способа является сокращение сроков измерений, так как отпадает необходимость организации фазо- стабильного опорного канала, сравнимого

по электрической длине и потеряем с измеренными каналами схемы деления ФАР, реализация которого весьма сложна как с конструктивной, так и с радиотехнической точек зрения.

Формула изобретения Способ фазирования и устранения неоднозначности фазирования СВЧ-трактов, заключающийся в подаче перестраиваемого по частоте сигнала на входы фазируемых СВЧ-трактов, регистрации выходных каналов СВЧ-трактов и регулировке их длины.

сриг.ё

отличающийся тем, что, с целью повышения точности, выходные сигналы фазируемых СВЧ-трактов суммируют и регистрируют разность частот, соответствующих соседним экстремумам огибающей суммарного сигнала, максимальное значение которой соответствует фазировке СВЧ-трактов,

Фиг. 1