Способ измерения характеристик радиотрактов

.801337 А 1 4 С 01 К 29/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ ру,р Ф Ф31с К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт радиофизики иники АН УССР(56) Авторское свидетельствУ 1061069, кл, С 01 К 29/00Авторское свидетельствоВ 855538, кл. С 01 К 29/00,формировании измерительного сигнала (ИС) в виде гармонического колебания с частотой, соответствующей частоте исследуемого радиотракта, с последующей его модуляцией по амплитуде дру,гим гармоническим колебанием с частотой, равной полонине ширины полосы ИС. Затем сформированный ИС подается в исследуемый радиотракт и на его приемном конце формируются из ИС два сигнала равных частот путем раздельного перемножения сигнала несущей частоты с каждой боковой составляющей спектра принятого ИС с последующим измерением их относительного фазового сдвига, который измеряют между разностными составляющими перемноженных сигналов, Дана ил. выполнения устр-ва, реализующего данный способ. 4 ил,лектроСССР 1981ССР1978.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИРАДИОТРАКТОВ(57) Изобретение относится к радитехнике. Цель изобретения - повьппние точности измерерактеристик радиотризменяющейся их проность данного спосо ния фазовых хаактов в условиях тяженности, Сущба заключается в ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ(2) Всов(ЯС + Д ) или й( = 2(,-,а - ый Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для измерения и контроля комплексных коэффициентов передачи четырехполюсников и радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности.Цель изобретения - повышение точности измерения фазовых характеристик радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности,На фиг, 1 представлен спектр сформированного измерительного сигнала, на фиг, 2 - зависимость приращения фазы ц измерительного сигиала от его частоты ы при распространении в среде беэ дисперсии, на фиг. 3 - то же, в среде с дисперсией,на фиг, 4 структурная электрическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ.Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит на передающей стороне генератор 1, модулятор 2, генератор 3 модулирующего сигнала, антенну 4, на приемной стороне фаэометр 5, антенну 6, первый, второй и третий фильтры 7, 8 и 9, первый, второй и третий усилители 1 О, 11 и 12, первый и второй смесители 13 и 14, первый и второй фильтры 15 и 16 промежуточной частоты,.Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.Гармоническое колебание 1 с частотой р, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17 где А - амплитуда колебания,Ы - начальная фаза колебания,модулируют по амплитуде другим гармоническим колебанием 3 с частотойЙ, равной половине ширины полосы исследуемого радиотракта 17,где В - амплитуда колебания;начальная фаза колебания.Колебание д, промодулированное по амплитуде колебанием 3 записывается в виде1Асов(цг. + Ы ) + - МАсов (ы +12+Я ) г. + Ы + д + - МАсов (ц2 где сигнал 1 является измерительным;5М = В/А - коэффициент модуляции,Первый член в выражении для 1представляет собой сигнал несущейчастоты ы, второй член - сигналверхней боковой частоты+ Я, тре тий член - сигнал нижней боковой частоты о - Л . Спектр такого измерительного сигнала показан на фиг1Поскольку в заключительной операцииспособа сигналы сравниваются по фазе 15 фазометром 5 (фиг. 4), где, как известно, одной из предварительныхопераций является ограничение поамплитуде, в дальнейшем для упрощения коэффициенты, описывающие ампли 2 о туды сигналов и их изменения, неприводятся.Измерительным сигналом 1 зондируют исследуемый радиотракт 17, В результате распространения в условиях 25 изменяющейся протяженности радиотракта 17 и взаимодействия со средой распространения сигнал 1 изменяется, Уменьшаются амплитуды составляющих спектра, каждая из них по лучает как доплеровское смещениечастоты, так и приращение фазы цпропорциональное своей частоте, длине радиотракта и дисперсионным свойствам исследуемого радиотракта. Известно что при распространении радиоволн в среде без дисперсии дополнительное приращение фазыв функциичастоты сигнала представлено линейной зависимостью (фиг, 2), а в среде 4 с дисперсией - нелинейной зависимостью (фиг, 3), Из фиг, 2 и фиг, 3видно, что отрезки на оси ординат,соответствующие равным (это обеспечено законом модуляции) частотным 45 отрезкам на оси абсцисс, равны величинам у " Ч 1 и ц 1- ч ив случае среды без дисперсии они равны между собой (фиг, 2), а в случаесреды с дисперсией (фиг, 3) не равны.Таким образом, мера неравенства этихотрезков является мерой фазовых искаженийц, вносимых радиотрактомраспространения радиоволн, которуюможно записать в виде разности этихотрезков.Принятый на приемной стороне исследуемого радиотракта 17 в условиях изменяющейся его протяженности измерительный сигнал 1 р с учетом вьппеизложенного можно записать в виде 1 р соя (ф)С + ю 1 С + 0 + р( ) +(6) Перемножим несущее колебание сигнала1 с верхней составляющей и возьмем 45ПРиэ результата перемножения колебаниеР, имеющее раэностную частоту,Р =соя(Л+ы с+1+ Ч,) хх соя( ы + Я )г. + ( ь + Я )с +( .Ы 50 55 Окончательно получим Г = соя(яг. + д ь + я - Ч +Я где р, р,д, р д - величины15дополнительных Фазовых приращений,полученных составляющими спектра измерительного сигнала на несущей частоте, на верхней и нижней боковыхчастотах соответственно;20ы ; Я - величины доплеровскогосмещения частот.Раздельно перемножают сигнал несущей частоты с каждой из боковых составляющих спектра. Перемножим несУщее колебание сигнала 1 с нижнейбоковой составляющей спектра и возьмемиз результата перемножения колебание Римеющее разностную частоту,+ р),Как видно, сигналы П и Р имеют равные частоты величиной Я + й, но разные фазовые приращения. Перемножим сигналы Р и Р и возьмем иэ результата перемножения разностнуюсоставляющую, т.е. измерим относительный фазовый сдвиг этих колебаний.В результате получим сояЬС +я С + д+ рх соя(ДС + й С + Л1Чы й)ф ВхР=(8) Таким образом, в силу изложенных вьппе операций с составляющими спектра принятого измерительного сигнала, результатом последней операции (8) являЕтся величина, пропорциональная значению фазовых искажений, вносимых исследуемым радиотрактом 17, которые в предлагаемом способе определяютсякак показано выше, величиной 4 Ч =2 Ч - Ч д - р а частота и начальные фазы генераторов 1 и 3, формирующих измерительный сигнал, их нестабильности и доплеровские сдвиги частот в силу производимых операций исключаются.Устройство работает следующим образом.Генератор 1 вырабатывает гармоническое колебание с частотой, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17, Генератор 3 модулирующего сигнала вырабатывает гармоническое колебание с частотой, равной половине ширины полосы исследуемого радиотракта 17, Колебания от генераторов 1 и 3 поступают на модулятор 2, где вырабатывается измерительный сигнал, который поступает в антенну 4 и излучается в исследуемый радиотракт 17. В результате распространения измерительного сигнала в радиотракте в условияХ изменяющейся его протяженности и взаимодействия со средой распространения уменьшаются амплитуды составляющих спектра сигнала, каждый из них получает доп(9) леровское смещение частоты и приращение фазы, пропорциональное своей частоте, протяженности радиотракта и его дисперсионным свойствам.Измерительный сигнал принимается антенной 6, с выхода которой он поступает на первый, второй и третий фильтры 7, 8 и 9, настроенные на отдельные частоты составляющих спектра принятого измерительного сигнала, С выхода фильтров 7, 8 и 9 разделенные составляющие спектра измерительного сигнала усиливаются первым, вторым и третьим усилителями 10, 11 и 12 до уровней, обеспечивающих нормальный режим работы первого и второго смесителей 13 и 14.С выхода первого усилителя 1 О отфильтрованная и усиленная первая боковая частота измерительного сигнала подается на первый (сигнальный) вход первого смесителя 13. С выхода усилителя 12 отфильтрованная и усиленная вторая боковая частота измерительного 26 сигнала подается на первый (сигнальный) вход второго смесителя 14. С выхода второго усилителя 11 отфильтрованная и усиленная несущая частота измерительного сигнала одновременно подается на вторые (гетеродинные) входы первого и второго смесителей 13 и 14, В этих смесителях осуществляется раздельнбе перемножение сигнала несущей частоты с каждой боковой35 составляющей спектра принятого измерительного сигналаРезультаты перемножения с выходов смесителей поступают на первый и второй фильтры 15 и 16 промежуточной частоты, которые 40 настроены на раэностные частоты (составляющие) результатов перемножения. Сигналы, выделяемые фильтрами 15 и 16 и имеющие равные частоты, но разные фазовые приращения, подаются на 45 фазометр 5, который измеряет фазовый сдвиг между раэностными составляющимиперемноженных сигналов,П р и м е р. Измерительный сигнал1 формируем путем амплитудной модуля ции непрерывного колебания с частотойГ, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17 и равной 100 МГц, другим непрерывным колебанием с частотой Р, равной половине ширины полосы исследуемого радиоканала, в данном случае 10 МГц. Таким образом, с помощью генераторов 1 и 3, модулятора 2 и антенны 4 иэлучаются три частоты: нижняя боковаячастота спектра с Г - Г = 90 МГц, несущая частота с Г = 100 МГц; верхняябоковая частота с Г + Р = 110 МГц.Источник измерительного сигнала размещается на самолете, скорость полета которого вдоль трассы распространения радиоволн равна 100 м/с(360 км/ч).Подсчитаем энергетический потенциал системы. Мощность каждой составляющей спектра принятого измерительного сигнала с дистанции К = 100 кмвычислим при условии, что суммарнаявыходная мощность Р = 0 1 Вт коФ Фэффициент усиления антенны 4 Сп ер3 дБ (2 раза), коэффициент усиления антенны 6 С = 1 О дБ (10 раз),среднее значение длины волны измерительного сигнала I = 3 м,Суммарная мощность, принятая антенной 6, определяется известным выражением . Полагая для упрощения, что все составляющие спектра имеют равные интенсивности, мощность каждой составляющей спектра Р, принятого измерительного сигнала примерно составляет Р. = Ре /3 = 3,8 10 г Вт, (10) Предельная чувствительность на приемной стороне по одному из каналов приема Р, можно оценить иэ известного соотношения Р= КТ дГ (Ы), (11) где К - постоянная Больцмана,Т - физическая температура приемного устройства,- полоса пропускания,И - коэффициент шума,Полосой пропускания в данном случае можно считать полосу пропускания фильтров 15 и 16 промежуточной частоты выделяющих разностные составляющие результатов перемножения в первом и втором смесителях 13 и 14 соответственно, Эти частоты в конкретном примере определены частотой модуляции Р = 10 МГц, В качестве первого и второго фильтров 15 и16 промежуточной частоты применим(13) д в = 201 я ройки; стота конту резонансная 10 1,3 где Кое сопротивление см еля.требуемоеля 11 К усилие оравно Следовательно торого усили 5 Р- коэффициерого усилти, дБ.Для обеспечениявого и второго сме т усиления втотеля 11 по мощносрежима работы перителей 13 и 14 одиночные копебатепьные контуры с частотой настройки 10 МГц и нагруженной добротностью Я = 50. Полоса пропускания их определяется как где Г - резонансная частота контура,10 и равна дГ = 200 кГц. Предельная чувствительность с такой полосой и величиной Б = 1 О дБ равна Рлр, ин, =7,45 10 " Вт. Следовательно, прием составляющих сигнала 1 на предельной15 дистанции исследуемого радиотракта 17 обеспечен при соотношении сигналшум, определяемом величиной Рс Р 3810 510,07 раз (+27,08 дБ). Таким образом, энергетические характеристики устройства, реализующего предлагаемый способ, обеспечивают прием сигнала 1 с большим соотношением сигнал-шум, В качестве первого, второго и третьего фильтров 7, 8 и 9, разделяющих составляющие спектра принятого сигнала, применим одиночные контуры, Требования к полосе пропускания, т,енагруженной добротности этих фильтров 7, 8 и 9, определяют исходя из следующих соображений. Так, например, первый фильтр 7 с частотой настройки Г + Р, в силу конечности затухания на частоте Е - Р, пропускает часть энергии сигнала этой частоты через первый усилитель 10 на вход первого смесителя 13, где он, перемножаясь с сигналом частоты Г, на выходе дает составляющую с частотой Р, но с фазовым сдвигом, соответствующим сигналу частоты Г - Г. Таким образом, на выходе первого смесителя 13 присутствует два сигнала с частотой Р с разными фазовыми сдвигами: первый, большой мощности, за счет преобразования сигнала 1 + Р и второй, малой мощности, за счет преобразования сигнала Г - Р, Аналогичные рассуждения справедливы и дпя третьего фильтра 9, третьего усилителя 12 и второго смесителя 14. Можно показать, что при подавлении первым и вторым фильтрами 7 и 8 таких мешающих сигналов на величину больше 22 дБ максимапьная суммарная погрешность меньше107 от измеряемой величины лиПрохождение сигналов с частотамиЙ + Р и Г - Р через второй фильтр8 с частотой настройки Г в силу конечности его затухания вне полосыпропускания не оказывает практического влияния, так как сигнал, снимаемый с второго фильтра 8 через второй усилитель 11, является гетеродинным и подавляется в первом и втором смесителях 13 и 14. Одиночныеколебательные контуры с нагруженнойдобротностью 50-60 ед что легкореализуется на частотах порядка100 МГц, обеспечивают подавление мешающих сигналов на 27-28 дБ, чтоможно определить из выражения д д - затухание, вносимое контуром при расстройке; нагруженная добротность контура,н - величина расстра.Определим необходимый коэффициент усиления первого, второго и третьего усилителей 10, 11 и 12, Наибольшее усиление требуется от второго усилителя 11 для обеспечения достаточного уровня гетеродинного напряжения при работе первого и второго смесителей 13 и 14. Положим, что суммарное входное сопротивление первого и второго смесителей 13 и 14 на частоте Г равно 75 Ом, а требуемое напряжение равно О, 1 В. Такие параметры имеют большинство современных балансных транзисторныхсмесителей. Тогда величина необходимой мощности Р равна7829 10ностью К и взаимодействия со средойраспространения.Как известно, такой фазовый набег записывается в виде 133(16) 15 Р, К КЭых см 1 р Р,см1,21 ОВт,где К - коэффициент усиления первого и третьего усилителей 10 20и 12,К - коэффициент передачи первоР,смго и второго смесителей13 и 14Следовательно, на входах фазометра 5 при отсутствии потерь в первом и втором фильтрах 15 и 16 развивается напряжение, равное п ГЛ с(17) 30 где Р - мощность развиваемая наЭвходе фазометра 5,К - входное сопротивление фабхзометра 5, например, Рав- З 5ное 100 Ом,что более чем достаточно для работысовременных фазометров. Следует заметить, что второй усилитель 11 скоэффициентом усиления +75 дБ в одном блоке склонен к самовозбуждению.Поэтому усилитель следует разделить.Рассмотрим результат распространения измерительного сигнала 1 в исследуемом радиотракте 17 и процедуру 45его обработки.Как следует иэ описания способа,на выходе фазометра 5 образуется сигнал, пропорциональный величине фазовых искажений д у, вносимых исследуемым радиотрактом 17, которые определяются как 27 пй гп сния видно, что чле меньше единицы ина порядка единиучае равно 10 м/с следовательно, им Выражение (14) с Б, можно записать аж Из этого1 и/с значит(так как и ели ем сл(14 гнала 1,тота, рав несущая частота сравная 100 МГц;нижняя боковая чаная 90 МГц; дч= 2 Ч -рд Ч Ч.,ращения сигнал частот, получ пространениячастота, рав ерх оковаГц; по сигнальному входу, т,е, с выходовпервого и третьего усилителей 10 и12, обычно требуется сигнал на 20 дБменьше, чем гетеродинный, Таким образом, коэффициент усиления первогои третьего усилителей 10 и 12 долженсоставлять порядка +55 дБ. Коэффициент передачи современных транзисторных балансных смесителей обычно составляет +10 дБ. Мощность сигналовчастоты Р на выходе первого и второ-,го смесителей 13 и 14 достигает величины"в = Г = 35 мВ,Ч ,р - фазовые приов соответствующихнные в результате раса дистанции протяженгде К = 2 Р/1 - волновое число сигнала с длиной волныВыражение (15) можно записать в вигде п - коэффициент преломления среды на частотес - скорость света в вакууме.При распространении радиоволн в условиях изменяющейся протяженности исследуемого радиотракта 17 величина Г, входящая в формулу (16), изменяется, так как получает приращение частоты 1 вследствие эффекта Доплера: где Ч - скорость изменения протяженГности исследуемого радиотракта 17, в данном случае равна100 м/с,Таким образом, выражение (16) запишется в виде12 1337829 30 фОР 1 и - коэффициент преломления средыраспространения радиоволн нанесущей частоте,и - коэффициент преломления среды на нижней боковой частотесигнала 1и - коэффициент преломления средына верхней боковой частотесигнала 1.10Как известно, коэффициент преломления воздуха мало отличается от единицы и для стандартной тропосферы в приземном слое равен и р = 1,000335, а на высоте 9 км равен и151,000 104. Положим, что среднее значение коэффициента преломления на трассе Земля-самолет имеет величину, равную на несущей частоте и = 1,000218, а в силу сложившихся метеусловий коэффициенты преломления среды на нижней боковой частоте и верхней боковой частоте равны и1,000215, п = 1,000221. По формуле (19) подсчитаем величину фазовых 25 искаженийу , вносимых таким радио- трактом;=-0,125664 рад, или л= -7,2 град. 35Расчет по точной формуле для В М рт.е. не пренебрегая членом Ч и/г в формуле (18), дает в этих же условиях величину д ч = -7,24 град, Ошибка не превышает -0,04 град,Формула изобретения Способ измерения характеристик радиотрактов, заключающийся в формировании измерительного сигнала, подаче сформированного измерительного сигнала в исследуемый радиотракт, формировании на его приемном конце из измерительного сигнала двух сигналов равных частот с последующим измерением их относительного фазового сдвига, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения фазовых характеристик радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности, измерительный сигнал формируют в виде гармонического колебания с частотой, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта, с последующей его модуляцией по амплитуде другим гармоническим колебанием с частотой, равной половине ширины полосы исследуемого радиотракта, на приемном конце формирование из измерительного сигнала двух сигналов осуществляется путем раздельного перемножения сигнала несущей частоты с каждой боковой составляющей спектра принятого измерительного сигнала, а фазовый сдвиг измеряют между разностными сос" тавляющими перемноженных сигналов.1337829 Фиг 4 Составитель Е.ГолубТехред М.Ходанич Корректор А.Тяско Редактор И.Рыбченко Заказ 4127/44 Тираж 730 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул, Проектная, 4