Устройство для измерения фазовых ошибок дискретных свч фазовращателей

(51)5 6 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АТЕН льский институ ан ий В,И, Ради М: Сов. ради ФК 2 - 33 ническое аписа ние вестя изостатка(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯЗОВЫХ ОШИБОК ДИСКРЕТНЫХ СВЧЗОВРАЩАТЕЛЕЙ Изобретение относится к области рэдиотехники, в частности к устройствам измерения фазовых характеристик СВЧ устройств.В радиоизмерительной технике из ны различные устройства и приборы дл мерения фазы СВЧ волны, в том числе вносимых фазовых ошибок дискретных фазовращателей, основанные на известных физических принципах отсчета фазы стоячей и бегущей волны, Известны установки, основанные на методах измерения фазы на проход(фазовое кольцо) или отражение при помощи радиоизмерительной линии, В этих устройствах зонд измерительной линии настраивается на минимум стоячей волны. При изменении фазы фазовращателя минимум стоячей волны смещается на расстояние , которое перемещением зонда измеряют и пересчитывают в фазу. Широкое(57) Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам измерения фазовых характеристик СВЧ-устройств, Целью изобретения является сокращение времени измерений и обеспечение возможности измерений при высоком уровне мощности. Сущность изобретения заключается в том, что на СВЧ-вход фазовращателя подается СВЧ-сигнал рабочего уровня мощности, а на низкочастотные входы разрядов Ат,Ь"Р 2,ЖР 4,Ь-Рв,ЖРб через цепи ключей 4 - 6, коммутаторов 8 - 10 и инверторов 11 - 13 подаются управляющие сигналы, синхронизированные между собой определенным образом. Оценку фазовых ошибок производят при помощи анализатора спектра, включенного на выходе фазовращателя, 3 ил. распространение получили установки и приборы, основанные на компенсационном методе, методе преобразования разности фаз во временной интервал и др,В основе принципов построения фазометров лежат как правило, комбинации вышеперечисленных методов с использованием преобразования входных сигналов на промежуточную частоту с последующим их усилением - ограничением и измерением разности фаз на фиксированной частоте,Основными нед ми этих устройств являются:- низкая скорость измерения фазовых ошибок, обусловленная необходимостью последовательного переключения, а затем и измерения во всех дискретных фазовых состояниях фазовращэтеля, а также достаточно большим временем на калибровку;- большие габариты и высокая стоимость рабочих мест по измерению фазовых характеристик,Отсутствие возможности измерения фазовых характеристик на высоком уровнемощности СВЧ. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фазометр ФК 2 - 33 (см.техническое описание и инструкцию по эксплуатации), В основе принципа действия "Оэтого прибора "1 ежит измерение векторных отношений СВЧ сйгналов, В приборесигнал, подаваемый от внешнего источника, делится на два канала; опорный иизмерительный, Опорный канал используется в качестве калибровочного, сигнал визмерительном канале используется какзондирующий для подачи на объект исследований. В преобразователе частоты применено первичное преобразование 20входного сигнала на частоту 20 МГц, на которой осуществляется синхронизация с сигналом гетеродина, и вторичное - на частоту55 кГц, на которой работает индикаторныйблок. 25Фазометру ФК 2 - 33, хотя и в меньшейстепени, но все-таки свойственны перечисленные для аналогов недостатки (скоростьизмерения одного фазового состояния неменее 15 с), Кроме них, ограничение по 30уровню мощности генератора СВЧ1мВт, приводит к тому, что измеряемые фазовые ошибки могут отличаться от вносимых в реальных условиях эксплуатации, прикоторых мощность может достигать уровня 3510 и более ватт,Целью изобретения является сокращение времени измерений и достижение возможности измерений на высоком уровнемощности. 40Указанная цель достигается тем, что вустройство для измерения фазовых ошибокдискретного СВЧ фазовращателя, содержащего генератор СВЧ и индикатор, выход ивход которых являются выходом и входом 45для подсоединения входа и выхода исследуемого дискретного фазовращателя введеныпоследовательно соединенные генераторпрямоугольного напряжения и многоразрядный делитель частоты, число разрядов 50которого равно числу разрядов исследуемого дискретного СВЧ фазовращателя, а каждый выход соединен с управляющим входомсоответствующего разряда исследуемогодискретного СВЧ фазовращателя через введенные последовательно соединенные коммутатор и ключ и, кроме этого, соединен совторым входом коммутатора через введенный инвертор, при этом управляющий входкаждого коммутатора соединен с выходом введенного синхронизатора, а в качестве анализатора используется анализатор спектра.При такой схеме установки (см. фиг, 1) на исследуемый фазовращатель одновременно подаются СВЧ сигнал частоты йЬ неограниченной мощности и и низкочастотных управляющих сигналов с частотами (в случае двоичного фазовращателя) Я = Я 2, где К = О, 1, , п, синхронизированных по входу или спаду, что приводит к образованию сложного выходного сигнала в спектре которого в общем случае присутствуют гармоники с частотами сй =й 30 + щВ, е = О, 1, 2,(см. фиг. 2). Известно, что между фазовыми ошибками каждого дискрета фазовращателя и величиной конкретных гармоник выходного спектра существует строгая математически и физически обоснованная связь, Так в случае двоичного фазовращателя и синхронизацией по спаду управляющего импульса ошибки в разряде 0 - й влияют на гармоники с номером а = 02 К в разряде 0 - й/2 - на гармоники с а =-1 +4 К в разряде 0 - к/4 - на гармоники с в =-3.+8 К в разряде 0 - л/8 - на гармоники с щ =-7 161, в разряде 0 - к/16 - на гармоники с п 1 = -15 +32 К где М = О, 1, 2 , В случае синхронизации по фронту управляющих импульсов зависимости зеркально симметричные относительно О, В литературе, например, приведены табулированные значения этих функций. Возможен и самостоятельный расчет этих зависимостей, учитывающий влияние дестабилизирующих факторов (амплитудная модуляция, временные нестабильности).Сущность изобретения заключается в образовании спектра фазомодулированного сигнала при переключении фазовых состояний, измерении спектральных составляющих на выходе фазовращателя и вычислении фазовых ошибок при помощи таблиц, ЭВМ или прямого отсчета,Предлагаемое устройство дает возможность одновременного измерения фазовых ошибок всех разрядов или фазосдвигающих ячеек и их комбинационных состояний, которых при двоичном построении 2", Это и приводит к уменьшению времени измерений в соответствующее количество раз, Индикаторным прибором в предлагаемой установке является анализатор спектра, Современные приборы этого класса имеют погрешности измерения относительных уровней 0,5 - 1,0 дБ в зависимости от режима работы и уровня входного сигнала. В тоже время из расчетов видно, что средняя кру 17907705 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 тизна зависимости А = 1(Ьр) , где Л Е - изменение уровня и-й спектральной составляющей относительно 1-й гармоники, Ьр - фазовая ошибка разряда, составляет 6 дБ/град - при ошибках до Зо, 3 дБ/град - при ошибках 3 - 6, 1 дБ/град - при ЛрЫ) 6, Таким образом методологическая погрешность установки составляет величину порядка 0,1 - 0,5 О, что меньше погрешностей известных нам аналогов, Для устранения (уменьшения) случайкой погрешности, связанной с амплитудно-временными неидеальностями управляющих импульсов, в установку введены цепи управления синхронизаций, состоящие из коммутаторов и инверторов, управляемых синхронизатором и ключом. Ключи обеспечивают форму уп равляющих импульсов оптимальную с точки зрения режима работы фазовращателя, Цепи изменения синхронизации позволяют производить измерения в двух системах (комбинациях) управления фазовращате.-.ем, что дает возможность усреднить случайную составляющую погрешности, возникающую в связи с возможным изменением длительностей фазовых состояний фазовращателя при различной логике управления им,Предлагаемое устройство обеспечивает измерения на любых(реальных для конкретного фазовращателя) уровнях СВЧ мощности,На фиг, 1 показана блок-схема установки измерения фазовых ошибок дискреткых С В Ч-фазовращателей; на фиг. 2 - последовательности управляющих фазоврэщателем импульсов, их инверсия и типичные фазовые характеристики и выходные спектры для случая 3-х дискретного двоичного фазовращателя; на фиг. 3 - пример выполнения электрической схемы ключа для полупроводникового фазовращателя,Цифрами и буквами нэ фиг. 1 - 3 обозначены;На фиг, 1: 1 - генератор СВЧ; 2 - дискретный фазсвращатель; 3 - анализатор спектра; 4, 5, б - ключи; 7 - синхронизатор;8, 9, 10 - коммутаторы; 11, 12, 13 - инверторы; 14 - и-разрядный делитель частоты; 15 - генератор прямоугольного напряжения,На фиг, 2; А, Е - импульсы управления разрядом 0 - л; Б, Ж - разрядом 0 - л/2; В, 3 - разрядом 0 - л/4; Г, Н - фазовые характеристики фазовращателя при синхронизации по фронту и спаду управляющих импульсов, соответственно Д, К - типичные выходные спектры фазовращателя при синхронизации по фронту и спаду соответственно,Устройство измерения фазовых ошибок содержит включенные в СВЧ тракт (волновод, коаксиал) последовательно генератор СВЧ 1 (например, типа Г 4), исследуемый и-дискретный фазовращатель 2 (диодный, ферритовый или другого типа), анализатор спектра 3 (например, типа СК 4), и управляющих вхоцов фазовращателя 2 соединены с выходами и ключей 4, 5, 6, которые могут быть выполнены, например, в виде биполярного транзисторного ключа. Входы и ключей соединены с выходами и коммутаторов 8, 9, 10, которые могут быть выполнены, например, в виде двухкодового элемента 2 И-ИЛИ,Первые входы и коммутаторов 8, 9, 10 соединены с и выходами многоразрядного делителя частоты 14 непосредственно, а вторые - через икверторы 11, 12, 13. Делитель частоты 14 соединен последовательно с генератором прямоугольного напряжения 15, Инверторы 11, 12, 13 могут быть выполнены в виде элемента НЕ, Управляющие входы коммутаторов 8, 9, 10 объединены и подключены к синхрокизатору 7, который может быть выполнен, например, в виде триггера или источника эталонного напряжения и переключателя.С выхода генератора 1 СВЧ волна поступает на вход исследуемого фазовращателя 2, Генератор 15 и многоразрядный делитель 14 формирует на, в общем случае, и выходах, в отношении примера на фиг, 2 - трех выходах, управляющие сигналы в виде меандров с частотами Й 2,4 В (фиг, 2 А, Б, В), В случае недвоичного фазовращателя ряд частот и скважность импульсов, естественно, другие. При низком уровне ("0") на выходе синхронизатора 7 коммутаторы 8, 9, 10 подсоединяют ключи 4, 5, б непосредственно к выходам делителя напряжений 14 (фиг. 1). Ключи форсируют фронты управляющих импульсов с целью обеспечения соотношения твк + гвык0,02 Т, где твк,твык - максимальное время включения и выключения фазовых состояний фазовращателя, Т = 1/Й, .Пример схемы ключа для ра - диодных фэзовращателей, получивших в последнее время большое распространение приведен на фиг, 3, Ключ представляющий собой, каскадно включенные биполярный транзисторный ключ (Ч Т 1, Ч Т 2) и эмиттерный повторитель (Ч ТЗ), Применение в переключателе тока транзисторов с граничной частотой игр = 0,4 - 1,5 ГГц позволяет получить на коллекторе Ч Т 2 импульсы с длительностью фронтов не более 10 нс, Эмиттерный повторитель обеспечивает в нагрузке ток до 50 мА, Диодные цепочки Ч Д 1 - Ч Д 4 служат для установки среднего уровня напряжения смещения, а Ч Д 5, работающий в режиме накопления заряда, позволяет уменьшить1790770 45 50 55 длительность фронтов входных импульсов,Под воздействием управляющих импульсовфазовая характеристика фазовращателяпринимает во времени вид, приведенный нафиг. 2 Г. Такое изменение фазы приводит к 5образованию на выходе фазовращателяспектра вида, показанного на фиг, 2 Д. Привысоком уровне ("1") на выходе синхронизатора 7, коммутаторы 8, 9, 10 подсоединяютключи 4, 5, б к выходам делителя частоты 14 10через инверторы 11, 12, 13, что приводит кизменению синхронизации управляющихимпульсов (фиг. 2 Е, Ж, 3) изменению знакафазовой характеристики (фиг, 2 И) и выделению "зеркального" спектра (фиг, 2 К). Выходные спектры измеряют и по величинеподавления гармоник в,в+ Л,в + Ю, относительно гармоники в+.Л, при помощитаблиц прямого отсчета или путем машинной обработки результатов фиксируют фаэовые ошибки разрядов 0 - к, 0 - Х/2, 0-л /4 соответственно и их комбинации подвойчной схеме переключения, Если в фазовращателе присутствуют разряды л/8 ил /16, то о величине ошибок в них судят по 25величине гармоник и) + 71 и в + 1 Я .Технико-экономическая эффективностьпредполагаемого изобретения заключаетсяв следующем:- снижение времени измерения фаза- ЗОвых ошибок в 10 - 20 раз и более раз взависимости от числа разрядов фазовращателей, что является крайне актуальным присерийном выпуске фазовращателей,- обеспечение возможности измерений З 5на реальном (рабочем) уровне мощности,что является важным в связи с тем, что в,общем случае, фазовые ошибки на высокомуровне мощности отличаются от ошибок нанизком уровне, 40- уменьшение габаритов рабочего места и снижение стоимости используемой аппаратуры,- упрощение настройки дискретных фазовращателей, повышение ее точности и оперативности, Поскольку впервые обеспечивается возможность для наблюдения панорамы фазовых ошибок, Это дает весьма ценную информацию исследователю, и предоставляет ему возможность принятия обоснованного решения о настройке отдельного разряда с учетом взаимодействия его с остальными,Формула изобретения Устройство для измерения фазовых ошибок дискретных СВЧ-фазовращателей, содержащее генератор СВЧ и индикатор, вход и выход которых являются выходом и входом для подсоединения. входа и выхода исследуемого дискретного СВЧ-фазовращателя, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени измерений и обеспечения возможности измерения при высоком уровне мощности, в него введены последовательно соединенные генератор прямоугольного напряжения и многоразрядный делитель частоты, число разрядов которого равно числу разрядов исследуемого дискретного СВЧ-фазовращателя, а каждый выход соединен с управляющим входом соответствующего разряда исследуемого дискретного СВЧ-фазовращателя через введенные последовательно соединенные коммутатор и ключ, и, кроме этого соединен с вторым входом коммутатора через введенный инвертор, при этом управляющий вход каждого коммутатора соединен с выходом введенного синхронизатора, а в качестве индикатора используется анализатор спектра..Вашков з 375 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 ГКНТ С оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 8 Составит Техред М О. Васюхргентал 1