Измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников Советский патент 1981 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к СВЧ измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных взаимных и невзаимных четырехполюсников. Известен автоматический измеритель невзаимного фазового сдвига четырехполюсников, содержащий генератор качающейся частогы, модулятор, ферритовый вентиль, комбинированный двойной тройник, согласованную нагрузку, исследуемый четырехполюсник, два де тектора, две схемы вычитания, усилитель постоянного тока, усилитель отношения, синхрон ный детектор, электроннолучевой индикатор, генератор пилообразного тока и генератор пил образного напряжения 1. Однако в известном измерителе существует дополнительная погрешность измерения, обусловленная прежде всего неидентишостью параметров комби1шрованного /шойного тройника и их зависимость от величины измеряемого фазового сдвига. Процесс калибровки измерителя связан со сравнительно большими затратами времени, поскольку предусматривает включение в измерительный тракт вместо исследуемого четырехполюсника калибровочного отрезка волновода. Кроме того, этот измеритель не позволяет производить измерения прямого и обратного фазовых сдвигов исследуемого четырехполюсника. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является измеритель фазовых сдвигов иевзаимных четырехполюсников, содержащий СВЧ генератор высокого уровня мощности, первый и второй ферритовые вентили, делитель мощности, первый и второй направленные ответвители, ориентированные на волны, падающие на четырехполюсник, первый и второй направленные ответвители, ориентирюванные на волны, прошедщие четырехполюсник, первый, второй, третий, четвертый высокочастотные переключатели, испытуемый невзаимный четырехполюсник, первый и второй тройники, квадратурный и противофазный восьмиполюсники, первый, второй, третий, четвертый безынерционные измерители мощности высокого уровня, первую, вторую, третью, четвертую согласованные нагрузки, первую и вторую схемы вычитания, первый и второй синхронные детекторы, первый и второй индикаторы с iryлем в середине шкалы, ЭЛТ модулятор, причем выход СВЧ генератора высокого уровня мощности подключен к входу делителя мощности, а вход - к первому выходу модулятора, первый и второй выходы делителя мощности последовательно через первый и второй ферритовые вентили, основные каналы соответ ственно первого, второго и четвертого, третьего направленных ответвителей подключены к первым фланцевым соединениям первого и вто рого высокочастотных переключателей, вторые фланцевые соединения которых подключены соответственно к входу и выходу калибровочного канала, а третьи - к входу и выходу испытуемого невзаимного четырехполюсника. Вторые фланцевые соединения третьего и четвертого высокочастотных переключателей подключены к вторичным каналам первого и третьего направленных ответвителей, к третьим фландевым соединениям подключены выходы вторичных каналов второго и четвертого направленных ответвителей, а к первым - входы первого и второго тройников соответственно. Первый и второй входы квадратурного (90°) и противофазного (180°) восьмиполюсников подключены к первым и вторым выходам первого и второго тройников, а пер вый ои второй выходы соответственно через первый, второй и третий, четвертый безынерujioifflbie измерители мощности подключены к первой, второй и третьей, четвертой согласованным нагрузкам. Первые и вторые входы первой и второй схем вычитания подключены соответственно к выходам первого, второго и третьего, четвертого безынерционных измери телей мощности, а выходы - соответственно к горизонтально и вертикально отклоняющим пластинам электроннолучевой трубки, а также к первым входам первого и второго синхрон ных детекторов, к вторым входам которых подключен второй выход модулятора. Выходы первого и второго синхронных детекторов подключены к входам первого и второго индикторов с нулем в середине шкалы 2. Однако в этом измерителе существуют дополнительные погрешности измерения фазовых сдвигов, причины которых - существование в кольцевом измерительном тракте двух одно временно существующих и противоположно на правленных СВЧ волн, неидентичность синхрон ных детекторов и индикаторов с нулем в середине шкалы, конечная величина развязки между каналами, наличие отражения СВЧ сигнала от входов и выходов высокочастотных переключателей и потери в них. Измеритель н позволяет производить панорамное воспрои: ведение фазовых сдаигов в диапазоне частот, и, кроме того, предназначен только пля изме рения фазовых сдвигов невзаимных четырехпоюсников. Целью изобретения является повышение точности измерения прямого, обратного и невзаимного фазовых сдвигов, возможность панорамого воспроизведения фазовых сдвигов в диапазоне частот, а также возможность измерения фазового сдвига взаимных четырехполюсников. Указанная цель достигается тем, что в измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников, содержащий модулятор, первый и второй ферритовые вентили, выходы KOTOpi ix соответстенно через первый и второй, третий и четвертый направленные ответвители подсое/шнены к входам первого и второго СВЧ переключателей, к первым выходам которых подключены ажимы для включения отрезка волновода, а ко вторым - исследуемого четырехполюсника, первый квадратурный восьмиполюсник, первый и второй вычитатели, .синхронный детектор и злектроннолучевую трубку, введены генератор качающейся частоты, дополнительный СВЧ переключатель, второй квадратурный восьмиполюсник, первый, второй, третий и четвертый детекторы, первый и второй электронные коммутаторы, аналого-цифровой преобразователь, блок памяти, цифро-аналоговый преобразователь, арифметический блок, цифровой индикатор и блок управления, причем вход генератора .качающейся частоты соединен с выходом модулятора, а первый выход - к входу дополнительного СВЧ переключателя, первый и второй выходы которого подключены к первому и второму ферритовым вентилям, при зтом первый и второй входы первого и второго квадратурных восьмиполюсников подсоединены соответственно к выходам первого и третьего, второго и четвертого направленных ответвителей, а первый и второй выходы их через первый и второй, третий и четвертый детекторы - к первому и второму входам первого и второго нычитателей, первый и второй входы первого электронного коммутатора соединены с выходами указанных вычитателей, а выход - с первым входом синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу модулятора, при зтом вход аналогоцифрового преобразователя подсоединен к выходу синхронного детектора, а выход - через последовательно соединенные блок памяти и арифметический блок - к входам цифрового индикатора и цифро-аналогового преобразователя, первый и второй входы второго электронного коммутатора соединены соответственно с выходами цифро-аналогового преобразователя и синхронного детектора, а выход - с вертикально отклоняющими пластинами электроннолучевой трубки, с горизонтально отклоияКШ1ИМН пластинами которой сос;шнеи иторой В1.ГХОД генератора качающейся частоты, а первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления подключены к управляющим входам дополнительного СВЧ переключателя, первого и второго электронных коммутаторов и арифметического блока.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого измерителя.

Измеритель содержит генератор 1 качаюнкйся частоты,. модулятор 2, СВЧ переключатель первый 4 и второй 5 ферритовые вентили, первый 6, второй 7, третий 8, четвертый 9 направленные огветвители, первый 10 и второй 11 СВЧ переключатели, отрезок волновода 12, иccлeдyeмF IЙ четырехполюсник 13, первый 14 и второй 15 квадратурные восьмиполюсники, первый 16, второй 17, третий 18, четвертый 19 детекторы, первый 20 и второй 21 вычитатели, первый 22 и второй 23 двухканальные электронные коммутаторы, синхронный детектор 24, цифро-аналоговый преобразователь 25, ЭЛТ 26, аналого-цифровой преобразователь 27, блок памяти 2Ь, арифметический блок 29, цифровой индикатор 30 и блок 31 управления.

Измеритель работает следующим образом, В рржиме калибровки переключатели 10 и 11 устанавливаются в первое положение, генератор 1 качающейся частоты и блок 31 управления переводятся в ручной режим работы, при этом частота СВЧ сигнала устанавливается равной средней рабочей частоте исслед:уемого четырехполюсника, а блок 31 управления устанавливается в такое положение, при котором к кольцевому измерительному тракту подключен первый выход управляемого СВЧ переключателя 3, к входу синхронного детектора 24 подключен выход вычитателя 20 а к выходу - вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ 26. При таком соси; и1ии измерителя СВЧ сигнал поступает от генератора 1 качающейся частоты на вход переключателя 3 и с первого выхода его проходит последовательно ферритовьш вентиль 4, направленные ответвители 6 и 7, отрезок тракта, направленные ответвители 8 и 9 и поглощается ферритовым вентилем 5. На первый и второй входь1 квадратурного восьмиполюсника поступают СВЧ сигналы с выходов вторичных каналов первого 6 и третьего 8 направленных ответвителей (поскольку они ориенпфованы на подающую волну)

и, Asinwt;(1)

U2 BsinCwt + s),(2)

где А и В -- амплитуды СВЧ сигналов;

- фазовый сдвиг отрезка волновола.

)

1:сл11 детекторы 16 и 17 являются квадраП1ЧИЫММ, го видеосигналы на их выходах равны

J и„ - А + - В - -ABsin,(3)

1

I -I ..

Un - A + - 8 + ABsinip,

(4)

Ha выходе вычитателя 20 имеется сигнал, равный разности этих двух видеосигналов

и и,, - и,б 2ABsinvJ.(5)

Регулировкой фазовой характеристики его показание цифрового индикатора 30 устанавливается равным нулю.

Калибровка измерителя на измерение обратных фазовых сдвигов производится аналогично, но при этом с помощью СВЧ переключателя 3 изменяется направление распространения СВЧ

волны в кольцевом тракте на обратное, к входу синхронного детектора 24 подключается через электр01шый коммутатор 22 выход вычитателя 21.

В режиме измерения фазовых сдвигов СВЧ

переключатели 10 и 11 переводятся во второе положение, блок 31 управления и генератор 1 качающейся частоты переводится в автоматический режим. При этом в момент каждого измерения осуществляется автоматическая останов ка овтирования генератора 1 качающейся частоты, в результате чего, например, при измерении фазовых сдвигов иевзаимных четырехполюсников, возможно наблюдение прямого, обратного и невзаимного фазового сдвига четырехполюсняка.

Рассмотрим процесс измерения фазовых сдвигов и одновременно покажем осуществление возможности измерения фазовых сдвигов как взаимных, так и невзаимкых четырехполюсников, а также повыщение точности измерения. В режиме измерения фазового сдвига ujaHMHoro четырехполюсника переключатели Ю и 11 устанавливаются во второе положение, блок 31 управления переводится в ручной режим, при этом к кольцевому измерительному тракту подключен первый выход СВЧ переключателя 3, к входу синхронного детектора 24 подключен выход вычитателя 20, а к выходу - вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ 26. В этом случае на вход синхронного детектора 24 подается видеосигнал, с выхода которого снимается постоянное напряжение, пропорциональное измеряемому фазовому сдвигу четырехполюсника. Это напряжение индицируется на экране ЭЛТ в функции двух

координат: по оси у отклонение луча пропорционально измеряемому фазовому сдвигу, а по оси X - пропорционально частоте СВЧ сигнала. Затем по сигналу от блока 31 управле7ния генератор 1 качающейся частоты перестраивается на новую частоту, и процесс измере1ШЯ повторяется. После окончания одного периода свипирования на экране трубки получаем совокупность точек у y{f). Постоянное напряжение с выхода синхронного детектора 2 поступает также на аналого-цифровой преобразователь 27, с выхода которого напряжение в цифровой форме поступает на цифровой индикатор 30. Измерение прямых и обратных фазовых сдвигов невзаимных четырехполюсников происходит аналогично измерс1шю фазового сдвига взаимного четырехполюс}шка, но при этом напряжегош в цифровой форме, поступаю1цие с выхода аналого-цифрового преобразователя 27, пропорциональные tf и (f g , запоминаются блоком 28 памяти. В режиме измерения невзаимного фазового сдвига с блока управления поступает сигнал на блок памяти 28, которое выдает напряжение, пропорциональное (р и ip g , на ариф метический блок 29. Одновременно с блока 3 управления поступает сигнал на электронный коммутатор 23, который подключает к вертикально отклоняющим пластинам ЭЛТ 26 выход цифро-аналогового преобразователя 25. С выхода арифметического блока 29 напряжение , равное /(f - (f - (f g , поступает на вход цифро-аналогового преобразователя 25 с выхода которого напряжение в аналоговой форме подается на вертикально-отклоняющие пластины ЭЛТ 26.

Операции измерения ggp и осуществляются последовательно по командам с блока 31 управления. В результате на экране ЭЛТ 26 индицируются зависимости: f

ri(f); vogp. 72(f); AY 73(0.

Если предположить, что в режиме измерения V5 „ тракт записьшается одновременно и со стороны вентиля 4 и со стороны вентиля 5, то в ответвитель 6, вследствие его конечной направленности, попадает часть СВЧ сигнала обратной волны, прошедшей через отрезок тракта, а в ответвитель 8 попадает часть СВЧ сигнала обратной волны и часть этого сигнала, отраженного от выхода четырехполюсника, на которую этот ответвитель оказывается включенным в прямом направлении. Поэтому возникает дополнительная погрешность измерения f , обусловленная тем, что с выхода вторичного канала направленного ответвителя 6 снимается сигнал

Uj Asinwt -Ь С sin(ojt -I- ip {-)„) а с выхода втори гаого канала направленного ответвителя 8 снимается сигнал

Uj В sin(cot + „„) Е sinojt + + D sin(ojt -t- ).

Формула изобретения

Измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников, содержащий модулятор, первый и второй ферритовые вентили, выходь которых соответственно через первый и второй, третий и четвертый направленные ответвители подсоединены к входам первого и второго СВЧ переключателей, к первым выходм которых подключены зажимы для включения отрезка волновода, а ко вторым - исследуемого четырехполюсника, первый квадратурный восьмиполюсник, первый и второй вычитатели, синхронный детектор и электроннолучевую трубку, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения фазовых сдвигов и расширения функ1шональных возможностей, в него введены генератор качающейся частоты, дополнительный СВЧ переключатеяь, второй квадратурный восьмиполюсник, первый, второй, третий и четвертый детекторы, первый и второй электронные комрлутаторы, аналого-цифровой нрсоПразователь. 8 гдеv- фаза cm нала, отраженного or ni.iхода четырехполюсника В. Здесь С амплитуда обратной волны, прои едшей через исследуемый четырехполюсник и попав1нен во вторичный канал направленно1о ответвителя 6; Е - амплитуда обратной волны, нопавпюй во вторичный канал направленного ответвителя 8; D - амплитуда обратной волны, отражсн}1ой от выхода исследуемого четырехлолюсника и понавигей во вторичный канал направленного ответвителя 8; фаза сигнала, отраженного от выхода исследуемого четырехполюсника. Аналогичные рассужде1шя можно г ривести и для случая измерения. Технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем. Устройство позволяет измерить фазовые сдвиги как взаимных, так и невзаимных СВЧ четырехполюсников. -Имеет более высокую точность измерения, которая достигается , вопервых, за счет временного разделения каналов парциальных волн в кольцевом тракте, во-вторых, точность измерения повышается за счет исключения из измерительного тракта двух СВЧ переключателей, и в-третьих, за счет применения только одного синхронного детектора, и позволяет панорамно воспроизводить зависимость фазовых сдвигов от частоты.

блок памяти, арифметический блок, цифроаналоговый преобразователь, цифровой индикатор и блок управления, причем вход генератора качающейся частоты соединен с выходом модулятора, а первый выход: - к входу дополнительно СВЧ переключателя, первый и второй выходы Kotoporo подключены к первому и второму ферритовым вентилям, при этом первый и второй входы первого и второго квадратурных восьмиполюсников подсоединены соответственно к выходам первого и третьего, второго и четвертого направленных ответвитепей, а первый и второй вькоды их через первый и второй, тре.тий и четвертый детекторы .к первому и второму входам первого и второго вычитателей, первьш и второй входы первого электронного коммутатора соединены с выходами указанных вычитателей, а выход с первым входом синхронного детектора, второй вход которого подключен к выходу модулятора, при этом вход аналого-цифрового преобразователя подсоединен к выходу синхронного детектора, а выход - через последовательно соединенные блок памяти и арифметический блок - к входам цифрового индикатора и цифро-аналогового преобразователя, первый и второй входы второго электронного коммутатора соединены соответственно с выходами цифро-аналогового преобразователя и синхронного детектора, а выход - с вертикально отклоняющими пластинами электроннолучевой трубки, с горизонтально отклоняющими пластинами которой соединен второй выход

генератора качающейся частоты, а первый, второй, третий и четвертый выходы блока управления подключены к управляющим входам дополнительного СВЧ переключателя, первого и второго электронных коммутаторов и арифметического блока.

Источники информацин, принятые во внимание при экспертизе

1.Елизаров А. С. Автоматизация нзмерения параметров линейных невзаимных СВЧ

четырехполюсников. М., Советское радио, 1978.

2.Авторское свидетельство СССР № 363043, кл. G 01 R 25/00, 1973.