Способ измерения амплитудной и фазовой характеристик четырехполюсника Советский патент 1993 года по МПК G01R29/10 G01R27/28 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано также в измерительной технике ВЧ и СВЧ диапазонов.

Целью изобретения является определение границы рабочего диапазона частот.

Согласно предложенному способу измерения характеристик устройств на основе ОМ, предназначенных для исследования четырехполюсников, выбирают шаг (шаги) перестройки частоты измерительных сигналов, в соответствии с ним выбирают i фиксированных частот измерений, где i Ч,2...п, устанавливают частоты поочередно от первой до n-й, на каждой частоте изменяют параметры одного из измерительных сигналов на заданное значение с помощью образцового четырехполюсника, отсчитыва- ютизмеренный параметр на индикатореамплифазометра устройства и рассчитывают характеристики как разности между отсчет- ными и установленными значениями.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведен один из возможных вариантов структурной схемы устройства (10). реализующего способ; на фиг.2 - возможная форма спектров седьмого сигнала в различных режимах измерений; на фиг.З - ориентировочная зависимость фазовой погрешности измерений от режимов.

Устройство (фиг.1) содержит ВЧ или СВЧ генератор 1, делитель мощности 2, амплитудные модуляторы 3 и 4, подмодулято- ры 5, делители мощности 7 и 8, четырехполюсник 9, сумматоры 10 и 11, фильтры 12 и 13, преобразователи частоты 14 и 15, усилители 16 и 17 и амплифазометр 18.

СП

С

00

а о со о ю

Генератор 1 через делитель мощности 2 и модуляторы 3, 4 подключен соответственно к входам делителей мощности 7, 8. Первый выход делителя 7 мощности и первый вход сумматора 10 служит для подключения четырехполюсника 9. Второй выход делителя 7 подключен к первому входу сумматора 11. Выходы делителя мощности 8 подключены к вторым входам соответственно сумматоров 10 и 11. Сумматор 10 через последовательно соединенные фильтр 12, преобразователь частоты 14, усилитель 16 подключен к первому входу амплифазомет- ра 16, а сумматор 11 через фильтр 13, преобразователь частоты 15 и усилитель 17 - к второму входу амплифазометра 18, Куправ- ляющим входам модуляторов 3, 4 подключены соответственно подмодуляторы 5, 6.

На фиг.2 приведены формы спектров седьмого сигнала, которые зависят от формы амплитудно-частотной характеристики фильтра 12, где:

19 - вид амплитудно-частотной характеристики кф12 фильтра 12 и частоты,соответствующие различным режимам измерений;

22 - форма спектра, соответствующая первому режиму измерений. Паразитные компоненты нижней боковой полосы 23, 24 подавлены значительно, компонента несущей частоты 25 подавлена умеренно, компоненты полезной - верхней боковой - полосы 26, 27 не подавлены;

28 - паразитные компоненты нижней боковой полосы 29, 30, несущей 31 и полезной верхней боковой полосы 32, 33 соответствуют некоторому промежуточному i-му режиму, который характеризуется большими паразитными компонентами;

34 - компоненты нижней боковой полосы 35, 36, несущей 37 и верхней боковой полосы 38, 39 соответствуют последнему режиму измерения, при котором подавление паразитных компонент минимально;

40 - компоненты нижней боковой полосы 41, 42, несущей 43 и верхней боковой полосы 44, 45 соответствуют неискаженной передаче фильтром составного AM сигнала при равных уровнях боковых компонент.

Приведены также соотношения 46 между частотой fcc составного AM сигнала (несущая частота), частотами модулирующих напряжений Fi, Fa и промежуточной частотой Рпч. Причем выполняется условие FI F2 и поэтому

Епч Fi - F2.

На фиг.З в линейных координатах 47 воспроизведена ориентировочная зависимость амплитудного значения фазовой noj;

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

грешности устройства от номера режима. Здесь рассмотрен вариант изменения частоты, которая служит характеристикой режима, от нижней fi до верхней fn, т.е.

fi f2... fi...fn.

Сущность предложенного способа измерения характеристик устройства на основе ОМ состоит в следующем.

Генератор 1 формирует гармонический ВЧ или СВЧ сигнал стабильной амплитуды Ег и фиксированной частоты f. В делителе мощности 2 сигнал разветвляют на два сигнала, модулируют их по амплитуде в амплитудных модуляторах 3, 4 гармоническими модулирующими напряжениями частот FI и F2, которые вырабатываются в подмодулято- рах 5, 6. Выходные AM сигналы имеют вид:

емт Е(1 + Mi cos QI t) cos ш t (2) ем2 E(1 + M2 cos Q t) cos ut,(3)

где Е - амплитуда сигналов;

Mi,M2 - коэффициенты AM.

Каждый из полученных сигналов разветвляют в делителях мощности 7, 8 и получают соответственно сигналы третий-четвертый, пятый-шестой. Третий сигнал проходит через четырехполюсник с

коэффициентом передачи К ке, где К - модуль, а р- фаза коэффициента передачи. На выходе четырехполюсника третий сигнал имеет вид:

з КЕ (1 + Mi cosQi t) COS (a) t + /).(4)

В сумматоре 10 суммируют третий (4) и пятый сигналы, а в сумматоре 11 - четвертый и шестой сигналы, получая сигналы седьмой и восьмой, которые являются составными AM сигналами. Из них с помощью фильтров 12, 13 выделяют, например, верхнюю боковую полосу, после чего сигналы преобразуют в преобразователях частоты 14, 15, в качестве которых можно использовать квадратичные детекторы или перемножители другого типа. Из продуктов преобразования с помощью избирательных усилителей 16, 17 выделяют напряжения промежуточной частоты (1), равной разности частот модуляции, которые имеют вид

E2KC7iC 2{cos(Qi -Q) + + № - Ф71) + °°S(Q1

-Ог)(Ф -2-Ф7-1)};

(5)

1)2 К2 Е2 CsiC82{cos(Qi - fife ) t +

Се - 1 Се - 2

cos(Qi -

+ (4fa-4bi)+. сзусе

-Q,)t -- OPs -2 )}, (j

AKci C7c7;c72 2c°s2 р)

C7 ;g2 2sin2y )

Изобретение относится к способам радиоизмерений и может использоваться при измерении амплитудных и фазовых параметров четырехполюсников. Цель изобретения - определение границ рабочего диапазона частот. Для этого в качестве четырехполюсника используют образцовый переменный фазовращатель. Способ основан на разделении гармонического сигнала на две составляющие, модуляции их напряжениями различных частот, разделении каждой модулированной составляющей еще на две составляющие, пропускании одной из них через образцовый переменный фазовращатель, последующем суммировании составляющих, выделении напряжений разностной частоты модуляции, введении фа- зовращателем при каждой частоте входного сигнала различных фазовых сдвигов и определении расчетным путем фазовой и амплитудной погрешностей, по которым, сравнивая их с допустимыми значениями, определяют границы частотного диапазона. 3 ил.

где Ki,K2 - постоянные коэффициенты, учитывающие коэффициент преобразования и коэффициенты AM;

, , , , Св1, Св2, Св-1. Св-2 - коэффициенты передачи фильтров для седьмого и восьмого сигналов (первый индекс), их верхних и нижних боковых компонент (отрицательный второй индекс);

,Ф72,Ф7-1,Ч 7-2.ЧЬ1,ЧЬг,

4% - 1 , 4% - 2 - фазовые сдвиги, характеризующие влияние фазовых характеристик фильтров 12, 13 для верхних и нижних компонент спектра седьмого и восьмого сигналов.

Амплитуда напряжения (6) пропорциональна модулю коэффициента передачи четырехполюсника 9, а начальная фаза содержит информацию о фазовой характеристике четырехполюсника. Напряжение(7) не содержит информации о характеристиках четырехполюсника, поэтому является опорным при выполнении измерений. Сравнение амплитуд и начальных фаз (5), (6) по- зволяет определить комплексный коэффициент передачи четырехполюсника. Его измерение осуществляют с помощью амплифазометра 18.

В общем случае для измерения характеристик устройства в качестве четырехполюсника 9 используют четырехполюсник с известными значениями ослабления и фазы в диапазоне частот эксперимента. Это обеспечивает получение погрешности измерения модуля и фазы коэффициента передачи устройства;

.

A Ki Ki - Km (р - РП.

(7)

(8)

где Kni и фгл известные до измерений модуль и фаза коэффициента передачи четырехполюсника 9 на i-й частоте измерений.

Однако в устройствах на основе ОМ (они представляют собой самостоятельное направление развития приборостроения) всегда имеют место режимы измерений, когда в (7), (8) превалирует погрешность, обусловленная неидеальной модуляцией - конечным подавлением компонент нижней боковой полосы (фиг.2, поз.22,28,34). Как следует из (5) и (6), с учетом калибровки устройства эти погрешности рассчитываются по следующим формулам:

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Для измерения характеристик устройства на основе ОМ в этих ответственных режимах в качестве четырехполюсника 9 используют только градуированный фазов- ращатель. В зависимости от крутизны склонов характеристик фильтров 12, 13 и значений частот модуляции выбирают шаг Af (или несколько различных шагов) перестройки частоты компоненттретьего-шесто- го сигналов относительно характеристик фильтров 12, 13. Анализ выполним для способа, по которому перестройку осуществляют изменением частоты измерительного сигнала, как показано на фиг.2 (поз.19,22,28,34,40).

В соответствии с выбранным шагом (шагами) определяют фиксированные частоты fi, f2,...,fi,...,fn где i 1,2...п. Каждой фиксированной частоте соответствует отдельный режим измерений устройства на основе ОМ. Устанавливают первый режим измерений 1 1, как показано на позициях 19, 22 (фиг.2). Он характеризуется тем, что в полосе пропускания фильтров 12, 13 находятся компоненты верхней полезной боковой полосы 26, 27, а компоненты несущей 25 и нижней паразитной боковой полосы 23, 24 составных сигналов подавлены. Измеряют модуль KIL и фазовый сдвиг при каждом положении ,2...m фазовращателя в данном режиме.

Второй режим начинают с установки частоты fa. Соответственно частоты компонент третьего-восьмого сигналов изменяются на значение выбранного шага Af. Переход иллюстрируется поз. 19 и 28 на фиг.2. Измеряют модуль K2L и фазу коэффициента передачи фазовращателя 9.

Аналогичные измерения выполняют также в оставшихся ...n режимах и каждый раз получают измеренные результаты модуля KIL и фазы /TJL коэффициента передачи фазовращателя 9.

Критерием выбора пределов перестройки частоты является режим, при котором компоненты паразитной полосы составных сигналов подавляются фильтрами незначительно. Критерием выбора шага перестройки A f является необходимость зафиксировать возможные малые изменения измеряемых величин. После выполнения измерений рассчитывают погрешности

(7), (8). Поскольку в используемом фазовра- щателе 9 К 1, то полученные значения погрешностей зависят только от фазового сдвига.

Сравнивают между собой значения погрешностей в каждом режиме

АКц gi (PL),.. AK(L

g(pi),.., AKni. gn (#L),(11)

A( ni (pi),..,

hj(),..,(L) 02)

Начиная с некоторого j-ro режима погрешности (7) и (8) возрастают до больших значений. Иллюстрацией, этого является график 48 на фиг.З для погрешности измерения фазового сдвига. Как следует из (10), рост обусловлен увеличением компонент 36, 35 паразитной полосы составного сигнала. По допустимому значению / Ду/д погрешности 48 устанавливают оптимальную границу рабочего диапазона частот устройства frp.

Для определения уровня паразитных компонент подавленной боковой полосы в каждом режиме по экспериментальной зависимости погрешности от фазового сдвига (11), (12) определяют ее амплитудное значение. Поскольку оно выражается формулой

А

Cyi Су2

то относительный уровень подавления паразитных компонент определяется на основании выражения

Су - 2

С72

«vST

(14)

Значение (14) характеризует уровень одной компоненты подавленной полосы составных сигналов в каждом режиме. При FT «F2 и полученные средние значения мало отличаются от значений относительных уровней реальных компонент.

Перестройка частоты боковых компонент третьего-шестого сигналов с выбранным шагом может осуществляться:

перестройкой частоты только измерительного сигнала;

перестройкой частот модулирующих напряжений с Сохранением постоянной их разности;

одновременной перестройкой частоты измерительного сигнала и частотой модулирующих напряжений.

Первый способ реализуется наиболее 5 просто, поскольку:

а) требуется регулировать только одну частоту;

б) частота измерительного сигнала не определяет значения промежуточной часто10 ты(1);

поэтому требования к точности установки частоты нежесткие.

Второй способ наиболее целесообразно применять в тех случаях , когда частота

15 измерительного сигнала фиксирована (задана, например, в измерительном стенде с помощью кварца).

Третий способ перестройки может диктоваться, например, узкополосностью филь20 тров 12, 13.

Аналогичные результаты можно получить при перестройке фильтров 12, 13 относительно фиксированных частот в процессе измерений. Поэтому операции пе25 рестройки фильтров эквивалентны операциям перестройки частоты.

Поскольку погрешности (9), (10) не зависят от компоненты несущей составных сигналов, то и требования к ее уровню не

30 предъявляются.

Следовательно, способ может быть использован для исследования характеристик устройств с однополосными сигналами на входах смесителей, которые можно форми35 ровать с помощью амплитудных, балансных или однополосных модуляторов. Это расширяет область реализации способа.

Осуществление способа с получением идентичных рассмотренным результатов

40 может быть обеспечено при подавлении компонент верхней боковой полосы составного сигнала 40 и использовании в качестве полезных компонент нижней боковой полосы. Этот вывод распространяется и на вари45 ант использования в качестве напряжений промежуточной частоты компонент, частота которых равна сумме частот модулирующих напряжений. Однако требования к фильтрам в этом случае усложняются.

50 В настоящем изобретении впервые описан простой экспериментальный способ оптимального выбора границы частотного диапазона измерителя на основе оценки такой важной характеристики, как погреш55 ность измерений, преобладающей в которой является составляющая, обусловленная конечным подавлением компонент паразитной полосы составного сигнала.

Кроме того, в нем впервые описан экспериментальный способ измерения уровня

компонент паразитной полосы. Перечисленные характеристики устройств на основе ОМ измеряются при использовании только одного четырехполюсника с известной характеристикой - градуированного фазовра- щателя.

Это определяет научно-технический и экономический эффект от использования способа.

Формула изобретения Способ измерения амплитудной и фазовой характеристик четырехполюсника, основанныйна формировании гармонического СВЧ-сигнала первой частоты, разделении его на первую и вторую составляющие, амплитудной модуляции каждой составляющей различными частотами Qi,Q , разделении первой составляющей на третью и четвертую, а второй - на пятую и шестую, пропускании третьей составляющей через четырехполюсник, формировании измерительного сигнала путем суммирования прошедшей через четырех- полюсниктретьей составляющей с пятой составляющей, формировании опорного сигнала путем суммирования четвертой и шестой составляющих, выделении с помощью фильтра из спектра измерительного и опорного сигналов полезных боковых составляющих, формировании низкочастотных измерительного и опорного сигналов, частоты которых равны разностной частоте I QI - Qi I, определения искомых характеристик четырехполюсника путем измерения отношения амплитуд и разности фаз низкочастотных измерительного и опорного сигналов и повторении указанных операций на других частотах гармонического СВЧ-сигнала, лежащих в диапазоне измерений, о т л ичающийся тем, что, с целью определения границы рабочего диапазона частот, в качестве четырехполюсника используют образцовый переменный фазовращатель, с помощью которого на каждой частоте гармонического СВЧ-сигнала устанавливают различные фазовые сдвиги $ в пределах от О до 360°, при каждом фазовом сдвиге определяют фазовую Аде и амплитудную AKj. погрешности для каждой частоты гармонического СВЧ-сигнала по формулам

С С

с 4 С

os2

где С-/, C-v- модуль коэффициента передачи для паразитных и C-i, С2 полезных боковых составляющих спектра, которые соответствуют модулирующим частотам Q , Ј& , определяют максимальные значения этих погрешностей для каждой частоты гармонического СВЧ-сигнала, сравнивают их с допустимыми значениями соответствующих погрешностей и определяют границы рабочего диапазона частот, при которых максимальная погрешность не превышает допустимую.

H2D№L

W

32

5Tt30

ilfL

л

Фиг,. 2

/

f

1 Ji ... Jj, ... Jn-2 JV-i fnJ

1 frp.

9.3