Автоматический измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников Советский патент 1982 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к СВЧ измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров линейных взаимных и невзаимных четырехполюсников. Известен полуавтоматический прибор для измерения напряжения и разности фаз сигналов по фиксированным частотным точкам, содержащий два стробоскопических преобразователя частоты, генератор строб-импульсов, перестраиваемый генератор, фазовый детектор, опорный генератор, два полосрвых фильтра, два усилителя-ограничителя, вольтметр и фазометр 1. Однако в этом приборе существует дополнительная погрешность измерения связанная с необходимостью переориен тации четырехполюсника при переходе от измерения прямого фазового сдвига к измерению обратного фазового сдвига. Кроме того, в этом приборе исклю чена возможность непосредственного измерения невзаимного фазового сдвига и не обеспечивается панорамное воспроизведение фазовых сдвигов в зависимости от изменения частоты генератора . Наиболее близким по технической сущности является измеритель сдвигов невзаимных четырехполюсников, содержащий генератор качающейся час тоты, модулятор, делитель мощности, первый и второй ферритовые вентили, первый и. второй электрически управляемые аттенюаторы, первый, второй, третий и четвертый направленные ответвители, первый и второй высокочастотные переключатели, отрезок волновода, исследуемый четырехполюсник, первый и второй СВЧ переключатели, первый и второй тройники, квадратурный и противофазный восьмиполюсники, первый, второй, третий и четвертый детекторы, первый и второй элементы вычитания, двухканальный электронный коммутатор, синхронный етектор, индикатор, электроннолучевую трубку и блок управления, причем генератор качающейся частоты через делитель мощности подсоединен к входам первого и второго электрически управляемых аттенюаторам, выхо ды которых соединены с входами первого и второго ферритовых вентелей, основного канала соответственно первого и третьего, второго и четвертого направленныхответвителей подсоединены к входам первого и второго высокочастотных переключателей, вторые выходы которых соединены между собой отрезком волновода, а первые выходы подсоединены к входу и выходу исследуемого невзаимного четырехполюсника. Первые входы третьего и чет вертого высокочастотных переключателей подсоединены к выходам вторичных каналов первого и третьего напра ленных ответвителей, а к вторым входам - выходы вторичных каналов соответственно второго и четвертого направленных ответвителей, а к выходам - входы первого и второго тройников соответственно. Первый и второй входы квадратурного и противо.фазного восьмиполюсников подсоединен к первым и вторым выходам первого и второго тройников, а выходы восьмиполюсников через первый, второй, третий и четвертый диоды подсоединен соответственно к входам первого и второго элементов вычитания, выходы которых подсоединены соответственно к горизонтально и вертикально отклоняющим пластина, электроннолучевой трубки, а также к первому и вт рому входам двухканального электронного коммутатора, выход которого через синхронный детектор соединен с входом индикатора.. Модулятор соедине с входами генератора качающейся частоты и синхронного детектора. Блок управления первым выходом соединен с входами первого и второго электрически управляемых аттенюаторов, вторым выходом - с входами первого и второго, управляемых СВЧ переключателей и третьим выходом с входом дву канального электронного коммутатора Zj. Однако в известном измерителе не возможно измерение фазовых сдвигов невзаимных четырехполюсников и су- ществуют дополнительные погрешности измерения невзаимных фазовых сдв гов невзаимных четырехполюсников. Основные причины погрешностей - существование в кольцевом измерительном тракте двух одновременно существующих и противоположно направленных СВЧ волн, конечная величина развязки между каналами, наличие отражения СВЧ сигнала от входов и выходов высокочастотных переключателей и потери в них. Известный измеритель не позволяет производить панорамное воспроизведение фазовых сдвигов в диапазоне частоты. Цель изобретения - расш1;1рение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности измерения фазовых сдвигов взаимных четырехполюсников с одновременным повышением точности измерения невзаимного фазового сдвига невзаимных четырехполюсников. Указанная цель достигается тем,что в автоматический измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников, содержащий генератор качающейся частоты, два тройника, два управляемых аттенюатора, соединенных выходами с входами первого и второго ферритовых венти1пей, выходы которых через основные каналы второго и третьего направленных ответвителей подсоединены к входам соответственно первого и второго высокочастотных переключателей, первые выходы которых подсоединены друг к другу через отрезок волновода, а вторые выходы - к входу и выходу исследуемого четырехполюсника, первый направленный ответвитель, блок управления, электронный коммутатор, синхронный детектор, и электроннолучевую трубку введены генератор строб-импульсов, блок автоподстройки, первый и второй стробоскопические преобразователи частоты, преобразователь частоты, двухзвенный полосовой фильтр, амплитудный детектор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой индикатор, при этом выход генератора качающейся частоты через основной канал первого направленного ответвителя подсоединен к входу первого тройника, первый и второй выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму управляемым аттенюатор)ам, вход первого стробоскопического преобразователя частоты подсоединен к выходу вторичного канала первого направленного ответвителя, а вход второго стробоскопического преобразователя часто5ты через второй тройник подсоединен к выходам вторичных каналов второго и третьего направленных ответвителей, к вторым входампервого и второго стробоскопических преобразователей частоты подсоединены первый и второй выход генератора строб-импульсов, а к их выходам - соответственно первый и второй входы электронного коммутатора, выход которого подсоединен к входу блока автоподстройки и через последовательно соединенные преобразователь частоты двухзвенный полосовой фильтр, амплитудный детектор, усилитель, синхронный детектор - к входу аналого-цифрового преобразователя и вертикально отклоняющим пластинам электроннолуче вой трубки к горизонтально отклоняющим пластинам которой подсоединен - выход генератора качающейся частоты выход аналого-цифрового преобразователя подсоединен к цифровому индикатору, выход блока автоподстройки - ,к входу генератора строб-импульсов, выходы блока управления подсоединены к управляющим входам первого и второго электрически управляемых аттенюаторов, генератора качающейся частоты, электронного коммутатора и син хронного детектора. На чертеже приведена структурная схема устройства. Измеритель содержит СВЧ генератор 1 качающейся частоты, генератор 2 строб-импульсов, первый направленный ответвитель 3, первый стробоскопический преобразователь k частоты, первый тройник 5, первый 6 и второй 7 управляемые аттенюаторы, второй направленный .ответвитель 8, первый СВЧ переключатель 9, исследуемый четырехполюсник 10, второй СВЧ переклю чатель 11, третий направленный ответ витель 12, второй тройник 13i блок k управления, второй стробоскопический преобразователь 15 частоты электронный коммутатор 16, преобразо ватель 17 частоты, двухзвенный полосовой фильтр 18, -амплитудный детектор 19, уси литель 20, синхронный детектор 21, аналого-цифровой преобразователь 22, цифровой индикатор 23/ электроннолучевую трубку 2k, блок 25 автогтодстройки первый 2б и второй 27 ферритовые вентили. Причем выход СВЧ генератора 1 качающейся частоты через основной канал первого направлен936ного ответвителя 3 соединен с входом первого тройника 5, а его выход - с генератором 2 строб-импульсов, первый выход первого тройника 5 через управляемый аттенюатор 6, ферритовый вентиль 23, основной канал второго направленного ответвителя 8 соединен с выходом первого СВЧ переключателя 9, а второй выход первого тройника 5 через управляемый аттенюатор 7, ферритовый вентиль 27, основной канал третьего направленного ответвителя 12 -соединен с входом второго СВЧ переключателя 11. Первый выход СВЧ переключателя 9 соединен с первым выходо СВЧ переключателя 11, а вторые выходы первого 9 и второго 11 СВЧ переключателей соединены соответственно с входом и выходом исследуемого четырехполюсника 10. Выход вторичного канала направленного ответвителя 8 подсоединен к первому входу второго тройника 13, к второму входу которого подсоединен выход вторичного канала направленного ответвителя 12. Выход вторичного канала направленного ответвителя 3 подсоединен к первому входу первого стробоскопического преобразователя k частоты, а выход второго тройника 13 - к входу стробоскопического преобразователя 15 частоты. К вторым входам первого 4 и второго 15 стробоскопических преобразователей частоты подсоединен соответственно первый и второй выходы генератора 2 строб-импульсов, а к их выходам - соответственно первый и второй входы электронного коммутатора 16, выход которого через преобразователь 17 частоты,двухзвенный полосовой фильтр 18, амплитудный детектор 19, усилитель 20, синхронный детектор 21 подсоединен к входу аналого-цифрового преобразователя 22 и вертикально отклоняющим пластинам электроннолучевой трубки 2, к горизонтально отклоняющим пластинам которой подсоединен третий выход генератора качающейся частоты 1, выход аналого-цифрового преобразователя 22 подсоединен к входу цифрового индикатора 23, выходы блока 1 управления подсоединены к управляющим входам первого 6 и второго 7 электрически управляемых аттенюаторов, генератора 1 качающейся частоты, электрончого коммутатора 16 и синхронного детектора 21, вход блока 25 автоподстройки подсоединен к выходу электронного коммутатора 16, а ее выход - к входу генератора 2 строб-импульсов. Рассмотрим функции, выполняемые основными элементами устройства. Генератор качающейся частоты 1 служит для задания частоты СВЧ сигна ла, на которой производится измерение в ручном режиме, осуществляет периодическое изменение частоты по пилообразному закону в автоматическом режиме с остановкой свипирования в моменты отсчета измеряемых фёзовых сдвигов. Направленный ответвитель 3 ответвляет часть СВЧ энергии, распространяющейся в тракте от генератора к тройнику 5, которая служит опорным источником сигнала. Тройник 5 разделяет СВЧ энергию генератора на две парциальные волны и подает их в кольцевой тракт в противоположных направлениях. Первый 6 и второй 7 электрически управляемые аттенюаторы обеспечивают в каждый момент времени распространение парциальных составляющих СВЧ энергии в кольцевом тракте только в одном и противоположных направлений и изменяют направление распространения с частотой коммутации, задаваемой блоком k управления. Они также выполняют функции коммутатора в режим измерения невзаимного фазового сдви га. Ферритовые вентили 26 и 27 предотвращают циркуляцию СВЧ энергии по кольцу и выполняют функцию нагру ки. Второй 8 и третий 12 направленные ответвители ответвляют часть СВ .энергии, распространяющейся в кольцевом тракте, которая содержит в се бе информацию о фазовом сдвиге исследуемого четырехполюсника 10|И образуют измерительный канал. Генератор 2 строб-импульсов служит для задания частоты стробирующи импульсов, их длительности и скважности и работает синхронно с генера тором 1 качающейся частоты. Первый и втброй 15 стробоскопические преоб разователи частоты служат для перен са фазовых соотношений в область бо лее низких частот. Второй тройник 1 служит для подачи СВЧ энергии от вт рого 8 и третьего 12 направленных ответвителей на вход второго стробоскопического преобразователя 15 частоты. Двухканальный электронный коммутатор 16 служит для поочередной с частотой коммутации подачи сигналов 9 3а промежуточной частоты от стробоског пических преобразователей k и 15 на вход одноканального преобразователя фазовой информации, формирования пакетно(о напряжения. Преобразователь 17 частоты служит для преобразования промежуточной частоты, поступающей со стробоскопических преобразователей на вторую промежуточную частоту для обеспечения нормальной работы цифрового индикатора. Двухзвенный полосовой фильтр 18 служит для выделения из пакетного напряжения, фор.муемого электронным коммутатором, 1двух симметричных боковых частот в виде напряжения биений. Амплитудный детектор 19 выделяет низкочастотную огибающую из напряжения биений, которая усиливается усилителем 20. Синхронный детектор 21 служит для выделения четных гармоник напряжения коммутации из спектра высокочастотных составляющих сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 22 служит для преобразования аналогового сигнала фазочувствительного выпрямителя в цифровой код, регистрируемый цифровым индикатором 23. Блок 25 автоподстройки осуществляет управление генератором 2 строб-импульсов с целью стабилизации промежуточной частоты. Электроннолучевая трубка 24 служит для панорамного воспроизведения фазовых сдвигов в диапазоне частот, задаваемом генератором 1 качающейся частоты. Блок 14 управления осуществляет заданный алгоритм работы всего измерителя в целом и вырабатывает управляющее напряжение единичной и удвоенной частоты коммутации. Измеритель работает следующим образом. В режиме калибровки прямых фазовых сдвигов переключатели 9 и 11 устанавливаются в положение а - а , генератор 1 качающейся частоты и блок 14 управления переводятся в ручной режим работы. При этом частота СВЧ сигнала устанавливается равной средней рабочей частоте исследуемого четырехполюсника, а блок 14 управления находится в положении, при котором первый управляемый аттенюатор 6 включен, а второй управляемый аттенюатор 7 выключен. К электронному коммутатору 16 подводится напряжение частоты коммутации, а к синхронному детектору 21 - напряжение удвоен9ной частоты коммутации. При таком состоянии измерителя СВЧ сигнал поступает от генератора 1 качающейся частоты через основной канал первог направленного ответвителя 3 на вход первого тройника 5, где распределяе ся поровну между двумя каналами, пр этом сигнал с второго выхода первог тройника 5 поглощается вторым управ ляемым аттенюатором 7 и дальше в кольцевой тракт не поступает. Прямая парциальная волна СВЧ с первого выхода первого тройника 5 проходит последовательно через первый управляемый аттенюатор 6, первый феррито вый вентиль 26, основной канал второго направленного ответвителя 8, п вый и второй переключатели 9 и 11, основной канал третьего направленного ответвителя 12 и поглощается вторым ферритовым вентилем 27. При этом на выходах вторичных ка налов первого и rpeiibero направленных ответвителей 3 и 12 появляются СВЧ сигналы, пропорциональные фазе сигнала на первых выходах СВЧ первого и второго переключателей 9 и 1 1 ; е.,--к,д51и(ш1гн,) со г-Ч о51 (.) , где ЕО амплитуда СВЧ сигнала; К К, - коэффициенты передачи направ ленных ответвителей 3 и 12; . зовые сдвиги, вносимые измерительным трактом между первым 3 и третьим 12 направленными ответвителями. Сигналы С1) и С 2)поступают соответственно на входы первого k и второго 15 стробоскопических преобразователей частоты, на которые одновременно с ними поступают строб-импульсы от генератора 2. С выходов строб-преобразователей сигнал первой промежуточной частоты подается на первый и второй входы электронного коммутатора 16, на выходе которого выделяется фазомодулированное напряжение, определяемого формулой U(t)-U Mi-w iigii s-inSlijSin X sinSlt) 1 сг) где U среднее значение амплитуды пакетного напряжения; у Чн среднее значение фазы модулированного сигнала; , - коэффициент амплитудной модуляции; Ur«. промежуточная частота ; И частота коммутации; индекс фазовой .модуляции. Полученное напряжение представляет собой, сумму несущей су. и боковых частот. В преобразователе 17 частоты осуществляется амплитудное ограничение напряжения. В результате этого , а фазомодулированное напряжение на выходе преобразователя определяется формулой: С0«5 5ivi() -Ц .nH)glbtif o3 W Г«7о - 2Г.4 . 2И--1 y 51)1ЧУр-ьЧ -) 2и-1 где первый член частоты 1р-1)Ц-42 предтавляет собой несущую, а два других члена - верхние и нижние боковые частоты. Двухзвенный полосовой фильтр 18 подавляет несущую, а первые гармоники нижней и верхней боковых частот сумируются. На выходе двухзвенного поосового фильтра получается напряение:лг , , jCt) IT iM Uu;eiMSitcosCii;|3i 4 ui))/6-) де и, ,- напряжение несущих колебаИИ на выходе преобразователя астоты. Амплитудный детектор 19, осущетвляющий линейное детектирование, ыделяет из биений низкочастотную оставляющую:. (t) sin u«;|siwSi.t|cos(u;pU4u;,| оторая с помощью рядов Фурье ет быть представлена: С052п51Ц : oin-2-Un; l-l TTJO-j H)cos2tcCu p-fct4) 11 . 9 В выражении (7 содержится вторая гармоника напряжения коммутации, которая выделяется синхронным детектог ром 21, опорным напряжением которого является выходиое напряжение удвоенной частоты, коммутации блока 1 управления. Выходное напряжение синхро ного детектора имеет вид: & U5-25 Utw5lw -у., где К - крутизна преобразования преобразовательного тракта, состоящего из двухзвенного полосового фильтра (К;|) , амплитудногоде тектора (tCj) , усилителя и синхронного детектора (Кт,) Напряжение С8) преобразуется АЦП 22 в код и регистрируется цифровым индикатором 23. Калибровка состоит в том, что фазовая характеристика одноканального преобразовательного тракта, -показание цифрового индикатора устанавливаются равным нулю. Напряжение (8) подается также на вертикально отклоняющие пластины эле троннолучевой трубки 24. Калибровка измерителя на измерени обратных фазовых сдвигов производитс аналогично, но при этом выключается первый управляемый аттенюатор 6 и включается второй управляемый аттенюатор 7. Калибровка измерителя на измерение невзаимного фазового сдвига осу ществляется следующим образом. Блок 14 управления переводится в такой режим, когда на первь|й и второй управляемые аттенюаторы 6 и подается напряжение частоты коммутации, на синхронный детектор 21 подается напряжение удвоенной частоты коммутации, а к выходу электро ного коммутатора 16 подсоединен вых второго стробоскопического преобразователя 17 частоты. При таком состоянии измерителя СВЧ сигнал поступает от генератора 1 качающейся час тоты в начальный момент времени, ра ный половине периода коммутации, че рез управляемый аттенюатор 6, первый ферритовый вентиль 2б, основной канал третьего направленного ответвителя 8, переключатели 9 и 11, основной канал направленного ответвителя 12 и поглощается вторым ферритовым вентилем 27. С выхода вторичн го канала третьего направленного от ветвителя 12 снимается СВЧ сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу, вносимому измерительным трактом при распространении прямой парциальной волны: -€,() Этот сигнал поступает через второй тройник 13 на вход второго стробоскопического преобразователя 15 частоты, с выхода которого сигнал первой промежуточной частоты через электронный коммутатор 16 подается на вход преобразователя 1 частоты. В следующий момент времени, также равный половине периода коммутации, когда отключается первый аттенюатор 6 и включается второй аттенюатор 7; обратная парциальная волна СВЧ с второго выхода первого тройника 5 проходит последовательно через включенный второй управляемый аттенюатор 7, второй ферритовый вентиль 27, основной канал третьего направленного ответвителя 12, переключатели 11 и 9, основной канал второго направленного ответвителя 8 и поглощается вентилем 26. С выхода вторичного канала второго направленного ответвителя 8 снимается СВЧ сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу измерительного тракта при распространении обратной парциальной волны: (2 K,,((S)) Этот сигнал поступает через второй тройник 13 на вход второго стробоскопического преобразователя 15 с выхода которого сигнал первой промежуточной частоты через электронный коммутатор 16 подается на вход преобразователя 17 частоты. Таким ogiразом, на входе преобразователя 17 частоты формируется фазомодулированное напряжение, определяемое формулой (3), в которой индекс фазовой модуляции равенД If t: ,p-()pgp. Дальнейшая обработка информации осуществляется аналогично калибровке измерителя на измерение прямых фазовых сдвигов. В режиме измерения фазовых сдвигов исследуемого четырехполюсника переключатели 9 и 11 переводятся в положение б-б, блок 1 управления и генератор 1 качающейся частоты переводятся в автоматический режим.. .При этом в момент каждого измерения осуществляется автоматическая остановка свипирования генератора 1 качающейся частоты, в результате че го, например, при измерении фазовых сдвигов невзаимных четырехполюснико возможно наблюдение на экране злектроннолучевой трубки частотных зави симостей прямого, обратного и невза имного фазовых сдвигов. В режиме измерения фазового сдви га взаимного четырехполюсника блок. 1 управления начинает вырабатывать управляющие импульсы типа меандр с частотой следования Fvipp и . СоотношениеFvnp|F,::n, где часто качания генератора, определяет числ точек измерения п в пределах полосы качания. На экране электроннолучево трубки луч очерчивает линию, котора представляет собой зависимость фазо вого сдвига от частоты СВЧ генератора. Очевидно, что в те моменты времени, когда СВЧ сигнал поступает в измерительный через первый аттенюатор 6, на выходе синхронного детектора будет сигнал, определяемый выражением С8). В случае запитки кольцевого тракта со стороны первого и второго аттенюаторов 6 и 7 одновременно, например, при измерении пр , в ответвитель 8 вследствие ориентации его,на обратную волну попадает си1- нал, прошедший исследуемый четырехполюсник в обратном направлении и внесет существенную дополнительную погрешность в измерение ррр. При измерении %рДоер в предлагаемом измери теле эта погрешность устраняется наличием в измерительном тракте в каждый момент времени только одной из противоположно направленных парциаль ной волны. Формула изобретения Автоматический измеритель фазовых сдвигов четырехполюсников, содержащий генератор качающейся частоты, первый и второй тройники, первый и второй управляемые аттенюаторы, подсоединенные входами к выходам первого тройника, а выходами - к входам первого и второго ферритовых вентилей, выходы которых через основные каналы второго и третьего направленных ответвителей подсоединены к входам соответственно первого и второго высокочастотных переключателей, первые выходы которых подсоединены друг к другу через отрезок волновода, а вторые выходы к входу и выходу исследуемого четырехполюсника, первый направленный ответвитель, блок управления, электронный коммутатор, синхронный детектор и электроннолучевую трубку, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей ,за счет обеспечения возможности измерения фазовых сдвигов взаимных четырехполюсников с одновременным по вьпиением точности измерения невзаимного фазового сдвига невзаимных че- тырехполюсников, введены генератор строб-импульсов, блок автоподстройки, два стробоскопических преобразователя частоты, преобразователь частоты, двухзвенный полосовой фильтр, амплитудный детектор, усилитель, аналого-цифровой преобразователь, цифровой индикатор, причем выход генератора качающейся частоты через основной канал первого направленного ответвителя подсоединен к входу первого тройника, первый и второй выходы которого подсоединены соответственно к первому и второму управляемым аттенюаторам, вход первого стробоскопического преобразователя частоты подсоединен к выходу вторичного канала первого направленного ответвителя, а вход второго стробоскопического преобразователя частоты через второй тройник подсоединен к выходам вторичных каналов второго и третьего направленных ответвителей, к вторым входам первого и второго стробоскопических преобразователей частоты подсоединены первый и второй выходы генератора строб-импульсов, а к их выходам - соответственно первый и второй входы электронного коммутатора , выход которого подсоединен к входу блока автоподстройки и через последовательно соединенные преобразователь частоты, двухзвенный полосовой фильтр, амплитудный детектор, усилитель, синхронный детектор - к входу аналоготцифрового преобразователя и вертикально отклоняющим пластинам электроннолучевой трубки к горизонтально отклоняющим пластинам ко торой подсоединен выход генератора качающейся частоты, выход аналогоцифрового преобразователя подсоединен к цифровому индикатору,, выход блока