Способ измерения фазовых сдвигов

СОЮЗ СОВЕТСКИ сОЦиАлйстичес 67765 РЕСПУБЛИ 5/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ Ч.Рс,ргТЕЛЬСТВУ напряжениями нсоди сакозых частот входных сигналов, преобразование промодулированных сигналов на постоянную промежуточную частоту второй и более высокой четной степени п-й частоты в двух каналах, причем во втором канале В один из преобразуемых сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Лр = 360/и, формируют разностный сигнал из преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряот грубое и точное значения фазового сдвига соответственно при выполнении преобразований второй и более высокой четной степени частоты сигнала, а величину фазового сдвига определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига, Цель достигается путем компенсации в результате указанных операций паразитных компоненти уточнения результата, 1 ил,ращатель 4, разветвите генератор 6, формировапряжения, модулирующ образователь 9 частоты преобразователь 11 частВыход однополосн рез разветвитель 3 со фазовращателя 4 и одн эователя 9 частоты, вт соединен с выходом ра выход которого соедин преобразователя 11 ча ходом однополосного ь вход преобразователя нике ьис ения в, а ктезна. азр.е хе- меемаэ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗОВЫХСДВИГОВ(57) Изобретение может быть использованодля измерения фазовых характеристик радиосигналов и исследования фазовых характеристик многополюсникрв, Цель -повышение разрешающей способности иослабление требований к подавлению паразитных компонент спектра преобразованных сигналов. Способ включаетоднополосную модуляцию модулирующими Изобретение относится к радиотех и измерительной технике и может быт пользовано в радиосистемах для измер фазовых характеристик радиосигнал также для исследования фазовых хар ристик многополюсников различного н чения.Цель изобретения - повышение р шающей способности и точности.На чертеже приведена структурна мэ измерителя, реализующего способ рения фазовых сдвигов.Устройство содержит однополоснь дуляторы (ОМР) 1 и 2, разветвитель 3, ф ль 5, модулирующии тель 7 опорного наий генератор 8 пре (ПРЧ), индикатор 10, оты и вычитатель 12, ого модулятора 1 чеединен со входами им входом преобраорой вход которого эветвителя 5, другой ен с Одним Входом стоты, д Вход с выОДуляторд 2, Второй11 аСтотц Совди 1677657(1) (2) с амплитудами Е 1 и Ег и измеряемым фазо вым сдвигом р подвергают однополосной модуляции в ОМР 1 и 2 модулирующими напряжениями неодинаковых частот Е 1. и Е 2, которые поступают из модулирующих генераторов 6 и 8, На выходах модуляторов 30 получают сигналы, состоящие из полезной смещенной компоненты и по крайней мере двух наибольших по уровням паразитных компонент - остатка несущей и зеркальной боковой. Уровни перечисленных компонент 35 обозначим через коэффициенты РпвРнфз в канале ОМР 1 и уун и у, в канале ОМР 2, где индексы означают соответственно принадлежность к полезной боковой; несущей и зеркальной боковой компонентам 40 сигналов.Модулированные сигналы разветвляют с помощью разветвителей 3 и 5 и подают на ПРЧ 9 и 11 соответственно. Причем, из разветвителя 3 на ПРЧ 11 сигнал поступает 45 через фазовращатель 4, который вносит дополнительный фазовый сдвиг О,50 55 нен с выходом фазовращателя 4, Первые входы однополосных модуляторов 1 и 2 соединены с клеммами входных сигналов, Второй вход модулятора 1 соединен с выходом модулирующего генератора 6, другой выход которого соединен со входом формирователя 7 опорного напряжения, другой вход которого соединен с выходом модулирующего генератора 8, второй выход которого соединен со вторым входом однополосного модулятора 2. Выходы преобразователей 9 и 11 частоты через вычитатель 12 соединены с одним вхрдом индикатора 10, другой вход которого соединен с выходом формирователя 7 опорного напряжения.Способ измерения фазовых сдвигов между двумя сигналами на высоких или сверхвысоких частотах состоит в следующем, Сравниваемые сигналы В ПРЧ 9 и 11 осуществляют операции преобразования частоты сигналов в ПЧ измерительного напряжения, которое в аргументе содержит информацию о фазовом сдвиге. Одной из особенностей способа является то, что осуществляют преобразование частоты четной степени, например, большой четной степени. Степень преобразования определяется степенью полинома,с помощью которого может.быть описана характеристика ПРЧ. Следовательно, можетбыть обеспечено преобразование; 5 10 15 20 второй степени, ПЧ Ги = Г 1(+)Гг; (3) четвертой степени, ПЧ Гч = 2(Г 1(+)Г 2); (4) шестой степени, ПЧ Гч = 3(Г 1(+)Г 2: (5) восьмой степени, ПЧ Гчш = 4(Г 1(+)Г 2) (6) и т.д,где знак в ПЧ зависит от направления смещения частоты сигналов, Обычно при преобразовании частоты используют преобразование второй степени, приводящее к линейному преобразованию сигналов, Однако можно показать, что и при использовании преобразования частоты более высокой четной степени сохраняется линейность преобразования фазовых сдвигов.Преобразования частоты могут быть реализованы каждое с помощью отдельного ПРЧ или в одном ПРЧ, В первом случае обеспечивается более высокая точность измерений, так как более высокие степени преобразования не вносят отрицательного вклада в результат более низких степеней преобразования. Поэтому ему следует отдавать предпочтение.В качестве ПЧ используют гармоники (компоненты) соответствующих измерительных напряжений комбинационных частот (3), (4) и т.д., номер которых в два раза меньше используемой степени преобразования. Напряжение ПЧ непосредственно или через вычитатель 12 поступает в индикатор 10, где обеспечивается измерение фазового сдвига.Опорное напряжение требуемой комбинационной ПЧ формируют в формирователе 7 иэ модулирующих напряжений генераторов 6 и 8, По отношению к нему в индикаторе 10 измеряют фазовый сдвиг.Измерительные напряжения ПЧ на выходе преобразователя 9 при описании характеристики ПРЧ уравнением второй, четвертой и т.д. степени имеют вид О = К 1 Е 1 Е 23 пКп (СОВ (В 21 - ВЕ) В В во)3 3 Я Я, е Р(7)Ув =К 2 Ез Ев )Вп)4 (СОВ 2 ВО -2- 2 СЬ)т+2 ри июсов( (2 Р - 2 Й) в - 20) вДальнейший анализ проводится с учетом следующих выполняющихся на практике положений.1. При различных четных степенях преобразования и выборе оговоренных ПЧ сохраняется линейность преобразования фазового сдвига и рост разрешающей способности по фазе. Это позволяет при дальнейшем конкретном анализе ограничиться рассмотрением преобразований второй и четвертой степеней,2. Структура ПЧ выбрана из соображений минимального количества компонент в напряжениях (7), (8) и т,д., в том числе и паразитных компонент, Это обеспечивает максимально возможную точность измерений при относительно простой реализации.Одним из режимов измерений является использование преобразования частоты четвертой степени, а в качестве ПЧ использование второй гармоники соответствующих напряжений комбинационных частот (4). Этому режиму соответствует измерительное напряжение (8). Из его анализа следует, что разрешающая способность по фазе увеличилась в два раза, Однако цикл изменения фазы уменьшился в два раза, что является недостатком, Этот недостаток можно исключить путем измерения фазовых сдвигов также с помощью напряжения (7), обусловленного квадратичным членом характеристики ПРЧ,В измерительном напряжении (8) первый член является полезным, а второй и третий - паразитными, приводящими к погрешности измерений, Значения.погрешностей определяются по формуламЛф 1 =фз узап)4) зп 40, (9) Л ф 2 = ( Кз рз узап уп) 8(П 2 ф, (10)Вторая погрешность по максимальному значению превосходит первую. Целесообразно ее влияние свести к минимуму.С этой целью преобразование частоты выполняют балансным, для чего используют ПРЧ 11, сигналы на который поступают с разветвителя 3 через фазовращатель 4 и с разветвителя 5. Если фазовращатель 4 обеспечивает фазовый сдвиг О= 90, то на выходе ПРЧ 11,характеристика которого описывается уравнением четвертой степени, получим измерительное напряжение ПЧ111 = К 28182 А 14 (сов (2 Й - 2 Й)1 1.,:,сов (2 вв 1 - 2 Й) 1 - 2 р - 180 1 1.во С.в 2 в сов (2 Й - 2 Й) ф (11)Рп) пНапряжения (8) и (11) поступают на вычитатель 12, в качестве которого может использоваться дифференциальный усилитель, На выходе вычитателя 12 получают иэмери- "0 тельное напряжение02 - О 2 02 = 2 К 2 Е 1 Е 2/Зй )4 "+ф - соя (2 Й - 2 й) т - 2 р20 которое не содержит паразитной компоненты, обусловившей погрешность (10). Таким образом, обеспечивается повышение точности измерений.Для оценки неисклк)ченной составляю щей погрешности (9) предположим чтоА =уз, Д =уп =1. Максимальное значение погрешности (9) не превышает О,б, 0,1 и 0,01 О, если относительный уровень зеркальной компоненты не превышает соответственно -10 дБ, -14 дБ и -19 дБ, Эти требования к зеркальной компоненте даже для очень малой погрешности выполнить легко, Далее, поскольку погрешность не зависит от остатка несущей компоненты, то требования к ее подавлению не предьявляются, Это дополнительно упрощает реализацию модуляторов.Из сравнения напряжения (7),по которому в прототипе обеспечивают измерения, а 40 в предложенном способе формируют обзорную шкалу, и напряжения (12), обеспечивающего точные измерения, следует, что точность измерений по данной составляющей погрешности повышается в45(13)50 раз и при= ( -= 0,1 = 20 дБ составляети уп100 раз.При измерении фазового сдвига погрешность (9) максимальна при р= (2 п+ + 1)22,5, где и = 0,1,2 при измерении уровней сигналов аналогичная погрешность максимальна при р = 2(п + 1)22,5 О, этим фазовым сдвигам соответствует максимальный и минимальный уровень измерительного напряжения (12), 1677657Недостатком измерений при использовании измерительных напряжений (8), (11), (12) и других, полученных при использовании преобразования более высоких четных степеней, является сужение зоны однозначности в коэффициент раз, равный половине степени преобразования,Для обеспечения однозначного измерения фазового сдвига в пределах полного цикла 0,360 при сохранении высокой разрешающей способности и повышенной точности осуществляют одновременное преобразование частоты второй, четвертой и т,д. степеней, а индикацию фазового сдвига осуществляют одновременно по измерительным напряжениям (7) и (8) или (12) и т,д. промежуточных частот, равных комбинации модулирующих частот (3), второй ее гармоники (4) или (и) третьей гармоники (5) и т,д. При реализации этого способа высокая точность измерений и одновременно высокая разрешающая способность обеспечиваются измерительным напряжением более высокой ПЧ, например, (8), а однозначное измерение в пределах полного цикла - измерительным напряжением наименьшей промежуточной частоты (7). Для реализации этих преимуществ достаточно иметь два измерительных напряжения - наименьшей ПЧ (7) и большей ПЧ, напряжение которой обеспечит требуемые характеристики измерений по разрешающей способности и требованиям к ОМР.Использование преобразования частоты (7), (12) приводит к ,существенному выигрышу (13) . Как отмечалось, все измерительные напряжения можно получить путем использования такого же числа ПРЧ с соответствующими преобразовательными характеристиками, или использования одного ПРЧ с преобразовательной характеристикой, содержащей члены необходимых четных степеней. В случае использования балансного преобразования частоты в, один из сигналов после разветвления сле,"ует ввести дополнительные фиксированные фазовые сдвиги,Способ обеспечивает повышение разрешающей способности и ослабление тре 5 бований к модуляторам и другим узлам,определяющим развязку между каналами,Возможность реализации высоких динамических характеристик и использования вразличных диапазонах частот характеризу 10 ет существенность научно-технического иэкономического эффектов предложенноготехнического решения,Формула изобретения 15 Способ измерения фазовых сдвигов,заключающийся в том, что оба сигнала подвергают однополосной модуляции модулирующими напряжениями неодинаковых частот, преобразуют промодулиро ванные сигналы на постояннуюпромежуточную частоту и измеряют фазовый сдвиг между сигналами постоянной промежуточной частоты, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения разрешаю щей способности, осуществляют преобразование второй и более высокой четной степени п-й частоты полученных в результате однополосной модуляции сигналов в двух каналах, причем во втором канале в один из 30 преобразованных сигналов вводят дополнительный фазовый сдвиг Л р = 360/п,формируют. разностный сигнал иэ преобразованных сигналов первого и второго каналов, который сравнивают по фазе 35 с опорным, сформированным преобразованием модулирующих напряжений неодинаковых частот, при этом измеряют грубое и точное значения фазового сдвига соответственно, при последовательном выполнении 40 преобразований второй и более высокойчетной степени частоты сигнала, а величину сдвига фаз определяют сопоставлением грубого и точного значений фазового сдвига.45,Гагарина, 1 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Заказ 3113 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5