Устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников Советский патент 1993 года по МПК G01R27/28 

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для измерений амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащих преобразователь частоты в диапазоне сверхвысокочастотных частот (СВЧ).

Известны измерители КСВН панорамные типа Р2-98 - Р2-101, Р2-105А, Р2- 109А, состоящие из генератора качающейся частоты, рефлектометра, индикатора. Однако при измерении с их помощью КСВН входов активных четырёхполюсников в .том числе и четырехполюсников с преобразованмем частоты (смесителей) возникают большие погрешности измерений. Это происходит потому, что уровень выходной мощности генераторов качающейся частоты измерителей КСВН мал, не превышает Вт и не может вывести нелинейный элемент смеси теля (диод) в рабочую точку его характеристики. За счет этого входное сопротивление смесителя существенно отличается (на порядок) от этого сопротивления в рабочем состоянии, когда мощностью гетеродина он выведен в рабочий режим.

Устройство для измерения амплитудно- частотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты (смесителей) содержит два генератора качающейся частоты, блок их управления, исследуемыйчетырехполюсник с преобразованием частоты, смеситель фазовой автоподстройки частоты, блок фазовой автоподстройки частоты, смесители промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, генератор промежуточных частот, фазовый детектор, двухканальный амплитудно-фазовый индикатор и дополнительный смеситель. .

Недостатком этого устройства является невозможность измерения комплексного коэффициента отражения сигнального высокочастотного входа исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты, который характеризуется отношением падающей и отраженной волн р определяе- мым из следующего математического выражения: .

„ и-°ш

9 1U пад

где 1)гтд- комплексная амплитуда напряжения сигнала от генератора качающейся частоты, падающая на сигнальный вход четырехполюсника с преобразованием частоты;

Uorp - комплексная амплитуда напряжения сигнала, отраженного от сигнального

5

0

5

0

5

0

5

0

0

5

входа четырехполюсника с преобразованием частоты.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет измерения комплексного коэффициента отражения сигнального входа четырехполюсника с преобразованием частоты.

Цель достигается тем, что в устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащее два генератора качающейся частоты, выходы которых соединены со входами смесителя фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с первыми входами блока ФАПЧ и дополнительного смесителя, выход которого соединен с первым входом фазового детектора, выход которого соединен с первым входом управления первого генератора качающейся частоты,второй вход управления которого соединен с выходом блока ФАПЧ, блок управления, выход которого соединен с другими входами управления первого и второго генераторов качающейся частоты, а- также со входами управления генератора промежуточных частот и двухканального амплитудно-фазового индикатора, входы каналов которого соединены с выходами смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, первы й выход генератора промежуточных частот соединен со вторым входом фазового детектора, второй выход генератора промежуточных частот соединен с гетеродинными входами смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов и вторым входом дополнительного смесителя, сигнальный вход смесителя промежуточной частоты опорного канала соединен с третьим входом генератора промежуточных частот вторым входом блока ФАПЧ, введены опорный смеситель СВЧ, переключатель 2x2, согласованная нагрузка и направленный ответвитель, включенный первичным каналом между выходом первого из двух генераторов качающейся частоты и сигнальным входом исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты, выход промежуточной частоты, которого соединен с контактом г переключателя 2x2, контакт в которого соединен с согласованной нагрузкой, контакт а переключателя 2x2 соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, а контакт б переключателя 2x2 соединен с выходом промежуточной частоты опорного СВЧ-смесителя, вторичный канал направленного ответвителя соединен с первым входом опорного СВЧ-смесителя, второй вход которого соединен с выходом второго из двух генераторов качающемся частоты и гетеродинным входом исследуемого четырехполюсника.

Для того, чтобы определить величину комплексного коэффициента отражения, необходимо измерить модуль и фазу сигнала, отраженного от сигнального входа исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты, сравнить его с модулем и фазой сигнала, пришедшего на этот вход от соответствующего ему ГКЧ (ГКЧ-1 на чертеже).

Такие измерения могут быть выполнены с помощью направленного ответвителя и. дополнительного опорного СВЧ-смесителя в любой точке рабочего диапазона частот устройства при реальных рабочих уровнях сигналов на входах исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты непосредственно на его рабочих частотах.

На чертеже представлена -структурная схема устройства для измерения комплексных коэффициентов отражения сигнального входа четырехполюсника с преобразованием частоты.

Устройство содержит генераторы 1 и 2 качающейся частоты (ГКЧ), их блок управления 3 (БУ), направленный ответвитель 4 (НО), исследуемый четырехполюснике преобразованием частоты 5(Х), опорный 6 смеситель СВЧ (См СВЧ), смеситель фазовой автоподстройки частоты 7 (См ФАПЧ), блок фазовой автоподстройки частоты 8 (Блок ФАПЧ), согласованную нагрузку 9 (СН), переключатель 2x2 10, смеситель промежуточной частоты измерительного канала 11 (См ПЧИ), смеситель промежуточной частоты опорного канала 12 (См ПЧО), генератор промежуточных частот 13 (ГПЧ), фазовый детектор 14 (ФД), двухканальный амплитудно-фазовый индикатор 15 (И), дополнительный смеситель 16 (ДСМ), которые соединены следующим образом: выходы первого 1 и второго 2 генераторов качающейся частоты соединены со входами смесителя ФАПЧ 7, выход которого соединен с первыми входами блока ФАПЧ 8, и дополнительного смесителя 16, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 14, выход которого соединен с первым входом управления первого генератора ка- .чающейся частоты 1,-второй вход управления которого соединен с выходом блока ФАПЧ 8. Выход блока управления 3 соединен со вторым входом управления первого генератора качающейся частоты 1, входом управления второго генератора качающейся частоты 2, входом управления генератора

промежуточных а частот 13 и входом управления двухканального амплитудно-фазового индикатора 15, входы двух каналов которого соединены с выходами смесителей

5 промежуточной частоты измерительного 11 и опорного 12 каналов. Первый выход генератора промежуточных частот 13 соединен со вторым входом фазового детектора 14, а второй выход генератора промежуточных

0 частот 13 соединен с гетеродинными входами смесителей промежуточной частоты измерительного 11 и опорного 12 каналов и вторым входом дополнительного смесителя 16. Сигнальный вход смесителя промежу5 точной частоты опорного канала 12 соединен с третьим входом генератора промежуточных частот 13 и вторым входом блока ФАПЧ 8. Контакт в переключателя 2x2 10 соединен с согласованной нагрузкой

0 9, контакт а переключателю 2x2 10 соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала 11, а контакт б переключателя 2x2 10 соединен с выходом промежуточной частоты

5 опорного СВЧ смесителя 6. Вторичный канал направленного ответвителя 4 (клемма . 3) соединен с первым входом опорного СВЧ смесителя 6, второй вход которого соединен с выходом второго из двух генераторов ка0 чающейся частоты 2 и гетеродинным входом исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием частоты.

Устройство для измерения амплитудно5 частотных и фазочастотных характеристик работает следующим образом. В положении переключателя 10, когда замкнуты контакты а-б и в-г реализуется схема измерения комплексного коэффициента отражения ге0 нераторного входа исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты 5. Сигнал от генератора 1 качающейся частоты через первичный канал направленного ответвителя 4 (клеммы 1-2) подается на сиг5 нальныйвход исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием частоты, а на гетеродинные входы этого четырехполюсника и опорного СВЧ смесителя 6 поступают сигналы от второго генератора 2

0 качающейся частоты. При этом, начальным напряжением от блока управления 3 частота генератора 1 качающейся частоты сдвигается относительно частоты генератора 2 на величину, равную началу полосы анализа по

5 промежуточной частоте исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием частоты. Это же напряжение подается на вход управления генератора промежуточных частот 13 и определяет начальную частоту по- лосы качания сигнала первой (переменной)

промежуточной частоты, равную сдвигу частот между генераторами.1 и 2 качающейся частоты..Одновременно сигнал первой (переменной) промежуточной частоты используется в качестве опорного для блока фазовой автоподстройки частоты 8, поддерживающего разность частот, равную заданной между генераторами 1 и 2 качающейся, частоты в начальный момент времени. Затем включается напряжение качания с амплитудой, обеспечивающей одновременную перестройку генератора промежуточных частот 13, генератора 1 качающейся частоты относительно генератора 2 в полосе анализа исследуемого четырехполюсника с преобразованием частоты 5, Лри этом генератор 2 работает на фиксированной частоте. Блок управления 3 позволяет производить, при необходимости, качание генератора 1 относительно генератора 2, настроенного на фиксированную частоту. С выхода исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием частоты сигнал; разностной первой (переменной) промежуточной частоты через замкнутые контакты в-г переключателя 10 подается на согласованную нагрузку 9, Отраженный от сигнального входа исследуемого четырехполюсника 5 с пре- образованием частоты, сигнал через вторичный канал (клемма 3) направленного ответаителя 4 подается на сигнальный вход опорного СВЧ смесителя б, с выхода которого сигнал разностной первой промежуточной частоты через замкнутые контакты переключателя 10 поступает, на сигнальный вход смесителя промежуточной частоты измерительного канала 11, На гетеродинный вход этого смесителя подается сигнал вспомогательной, переменной промежуточной частоты от второго выхода генератора промежуточных частот 13, сформированный путем сдвига (смещения) сигнала первой (переменной) промежуточной, частоты на величину второй постоянной промежуточной частоты. В результате на выходе смесителя промежуточной частоты измерительного канала Т1 при свипирова- нйи выделяется сигнал второй постоянной промежуточной частоты, несущий информацию об амплитуде и фазе коэффициента отражения исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием частоты относительно сигнала опорного канала, формирующегося в смесителе промежуточной частоты опорного канала 12.путем подачи на его сигнальный вход сигнала первой (переменной) промежуточной частоты с первого выхода генератора промежуточных частот 13, а на гетеродинный вход-сигнала вспомогательной промежуточной частоты со второго выхода этого генератора, Постоянство частоты сигнала с точностью до фазы при переменной первой промежуточной частоте измерительного канала относительно опорного

канала достигается с помощью схемы дополнительного фазового детектора 14. Для этого на один его вход от генератора промежуточных частот 13 подается сигнал второй постоянной промежуточной частоты, играю0 щий роль опорного, а на другой вход фазового детектора 14 поступает сигнал, получаемый в результате двойного преобразования в смесителе 7 ФАПЧ и дополни- тельном смесителе 16 части сигналов

5 генераторов 1 и 2 качающейся частоты, ответвленной с помощью, например, направленных ответвителей. Одновременно сигнал со смесителя 7 ФАПЧ подается в блок 8 ФАПЧ и несет информацию о .рас0 стройке частот.

Для формирования сигнала переменной промежуточной частоты опорного канала, исключающего необходимость применения смесителя СВЧ опорного кана5 ла, используются сигналы первой и второй- (сдвинутой) промежуточной частоты от генератора промежуточных частот 13, которые подаются на входы смесителя 12 промежуточной частоты опорного канала. Сигналы с

0 выходов смесителя 1 и 12 постоянной частоты, равной разности сдвигов частот между первым и вторым выходами генератора промежуточных частот 13, несущие амплитуд- но-фазочастотную информацию, подаются

5 на соответствующие входы двухканального амплитудно-фазового индикатора 15, работающего по принципу сравнения двух сигналов с индикацией характеристик на экране ЭЛТ, развертка которого произво0 дится напряжением качания от блока управления 3, В случае качания одновременно обоих генераторов 1 и 2 качающейся частоты на любой, выбранной с помощью генератора промежуточных частот 13,

5 фиксированной промежуточной частоте, заявляемое устройство позволяет проводить анализ комплексных коэффициентоЕ отражения сигнального входа исследуемого четырехполюсника 5 с преобразованием

0 частоты в широком диапазоне частот СВЧ. Измерение комплексных коэффициентов отражений исследуемых четырехполюсников производится в два этапа. На первом этапе (этапе калибровки) к выходу первич5 ного канала направленного ответвителя 4 присоединяется короткозамыкатель. В этом случае весь сигнал СВЧ, прошедший первичный канал направленного ответвителя 4, отражается от короткозамыкателя и поступает в его вторичный канал, соединенный с

сигнальным входом опорного СВЧ смесителя 6, где преобразуется в сигнал разностной первой (переменной) промежуточной частоты, который затем через смеситель промежуточной частоты измерительного канала 11 подается на вход измерительного канала амплитудно-фазового индикатора 15, где сравнивается с амплитудой и фазой сигнала, поступающего на вход опорного канала этого индикатора. С помощью регулировки уровня мощности с третьего выхода генератора промежуточных частот 13 СВЧ сигнал поступает на сигнальный вход смесителя промежуточной частоты опорного канала 12 по амплитудно-фазовому индикатору 15, на входах которого уравниваются амплитуда и фаза опорного канала относительно сигнала измерительного канала.

На втором этапе к выходу первичного канала направленного ответвителя 4 присоединяется сигнальный вход исследуемого четырехполюсника 5 с преобразователем частоты, и производится измерение модуля и фазы коэффициента отражения сигнала измерительного канала относительно сигнала опорного канала,

Благодаря тому, что опорный СВЧ смеситель 6 участвует в первом и втором этапе измерений, его комплексный коэффициент передачи не влияет на измерения.

В положении переключателя, когда замкнуты контакты а-r и в-б, реализуется схема устройства для измерения амплитуд- но- и фазочастотных характеристик по авт. свид. СССР № 918890 от 24.09.80, МКИ G 01 R 27/28, При этом сигнал первой промежуочной частоты с выхода исследуемого четы- рехполюсника 5 с преобразованием частоты через замкнутые вторые контакты а-r переключателя 10 подается на сигнальный вход смесителя промежуточной чатоты измерительного канала 11, где преобразуется и поступает на вход измериельного канала амплитудно-фазового иникатора 15, где сравнивается по амплитуде и фазе с опорным сигналом от смесителя промежуточной частоты опорного канала. Результат сравнения в виде АЧХ и ФЧХ вос- производится на экране ЭЛТ индикатора 15. Так и в случае измерения комплексного коэффициента отражения ГКЧ 1 и 2 могут аботать в двух режимах:

1. В режиме переменной первой промеуточной частоты, при котором первый ГКЧ випирует, а второй - стоит в частотной точе..

2. В режиме постоянной первой промеуточной точки частоты, при которой оба енератора 1 и 2 свипируют одновременно

с постоянной разностью частот, равной выбранной первой промежуточной частоте.

Технико-экономическим преимуществом заявляемого устройства для измерения 5 амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырёхполюсников по сравнению с прототипом является возможность измерения комплексного коэффициента отражения сигнального входа исследуемого

0 четырехполюсника с преобразованием частоты непосредственно на его рабочих входных СВЧ и промежуточных частотах при реальных уровнях сигналов.

Формула изобретен и.я

5 Устройство для измерения амплитудно- частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников, содержащее два генератора качающейся частоты, выходы которых соединены с входами смесителя

0 фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с первыми входами блока фазовой автоподстройки частоты и дополнительного смесителя, выход которого соединен с первым входом фазового детектора,

5 выход которого соединен с первым входом управления первого генератора качающейся частоты, второй вход управления которо- . го соединен с выходом блока фазовой автоподстройки частоты, блок управления,

0 выход которого соединен с другими входами управления первого и второго генераторов качающейся частоты, с входами управления генератора промежуточных частот и двухканального амплитудно-фазового

5 индикатора, входы каналов которого соединены с выходами смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов, первый выход генератора промежуточных частот соединен с вторым входом

0 фазового детектора, второй выход генератора промежуточных частот соединен с гетеродинными входами смесителей промежуточной частоты измерительного и опорного каналов и вторым входом допол5 нительного смесителя, сигнальный вход смесителя промежуточной частоты опорного канала соединен с третьим входом генератора промежуточных частот и вторым входом блока фазовой автоподстройки час0 тоты, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения комплексного коэффициента отражения сигнального входа четырехполюсника с преобразованием час5 тоты, в него введены опорный СВЧ-смеси- тель, переключатель, согласованная нагрузка и направленный ответвитель, включенный первичным каналом между вы- ходом второго генератора качающейся час- тоты и сигнальным входом исследуемого

четырехполюсника, выход промежуточной частоты которого соединен с первым контактом переключателя, второй контакт которого соединен с согласованной нагрузкой, третий контакт переключателя соединен с гетеродинным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, а четвертый контакт - с выходом опорного

го ответвителя соединен с п опорного СВЧ-смесителя, вто рого соединен с выходом пер ра качающейся частоты, в соединен с гетеродинным вхо мого четырехполюсника, г вход опорного смесителя п частоты соединен с первым в

СВЧ-смесителя, второй канал направленно- тора.промежуточных частот,.

го ответвителя соединен с первым входом опорного СВЧ-смесителя, второй вход которого соединен с выходом первого генератора качающейся частоты, вход которого соединен с гетеродинным входом исследуемого четырехполюсника, гетеродинный вход опорного смесителя промежуточной частоты соединен с первым входом генера

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений амплитудно-частотных и фазрчастотных характеристик четырехполюсников в СВЧ-диапазоне. Сущность изобретения: устройство содержит генератор 1 и 2 качающейся частоты, блок управления 3, исследуемый четырехполюсник с преобразованием частоты 5, смеситель фазовой автоподстройки частоты 7, блок фазовой автоподстройки частоты 8, смеситель промежуточной частоты измерительного канала 11, смеситель промежуточной частоты опорного канала 12, генератор промежуточных частот 13, фазовый детектор 14, двухканальный амплитудно-фазовый индикатор 15, дополнительный смеситель 16, направленный ртветвитель 4, опорный смеситель СВЧ 6, согласованную нагрузку 9, переключатель 2x2 10 с соответствующими связями. 1 ил. w : : (Л