Патент на изобретение №2276377

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ И ФАЗОЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИКОВ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле различных устройств СВЧ. Технический результат изобретения: повышение точности измерения фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты. Сущность: в отличие от известного устройства предлагается для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик дополнительно ввести в это устройство полосовой перестраиваемый фильтр, сигнальный выход которого соединен с одним из входов опорного смесителя, сигнальный вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с подвижным контактом третьего переключателя, управляющий вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с блоком управления. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при контроле различных устройств СВЧ.

Известны устройства для наблюдения и измерения комплексных коэффициентов передачи, такие как радиоизмерительные приборы Р4-36, Р4-37/1, Р4-38 (см. Измерения в электронике. Справочник. Под ред. В.А.Кузнецова. М.: Энергоатомиздат. 1987. С.226-230), содержащие генераторы качающейся частоты, делитель сигнала от генератора качающейся частоты на два канала – измерительный и опорный, измерительный и опорный смесители, гетеродинный преобразователь частоты, связанный системой фазовой автоподстройки частоты с генератором качающейся частоты и фазочувствительный индикатор отношений уровней сигналов в измерительном и опорном каналах.

Испытуемый четырехполюсник включается в измерительный канал. Наблюдение и измерение его характеристик производится относительно опорного канала на частотах первого с генератора качающейся частоты (ГКЧ-1). Второй генератор качающейся частоты (ГКЧ-2) смещен по частоте системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) относительно ГКЧ-1 на величину постоянной промежуточной частоты (ПЧ), которая и служит рабочей частотой устройства (прибора) после измерительного и опорного смесителей.

На этом основании можно утверждать, что данный тип приборов по сути дела решает две задачи:

1. Наблюдение амплитудно-частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) испытуемого четырехполюсника.

2. Измерение в любой частотной точке АЧХ и ФЧХ модуля и фазы комплексного коэффициента передачи испытуемого четырехполюсника.

Недостатком этих измерителей является то, что они принципиально не могут измерять комплексные коэффициенты передачи четырехполюсников, содержащих в своем составе преобразователи частоты (смесители), т.к. сигналы на входе и выходе этих четырехполюсников имеют разные частоты и по этой причине не могут быть включены в измерительный канал такого прибора.

Здесь и в дальнейшем под четырехполюсником с преобразователем частоты понимается смеситель, в котором осуществляется гетеродинное преобразование частоты, который имеет вход сигнала, вход гетеродина и выход промежуточной частоты (ПЧ), для которого гетеродин является внешним устройством, не принадлежащим смесителю.

Известны измерительные приборы по патентам США на метод (Patent number 6.041.077 Mar 21.2000 Int Cl⁷ H 04 B 3/36 US cl 375/224) и устройство (Patent number 6.041.694 May 16.2000 Int C1⁷ H 04 B 3/46 US cl 375/224) для измерения комплексных коэффициентов передачи устройств, содержащих преобразователь частоты – смеситель, измерительные возможности которых изложены в сети Интернет на сайте фирмы Hewlett Packard “Improving Network Analyzer Measurements of Frequency-translating Devices. Application-Note 1287-4”. Однако этот метод измерения идентичен ранее заявленным способам в СССР (а.с.СССР №1475347, кл. G 01 R 27/28. 1986 г. и а.с. СССР №1596278, кл. G 01 R 27/28. 1988 г.). Недостатком этих устройств является то, что они не позволяют измерять смесители при переменной промежуточной частоте.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты (а.с. СССР №1661682, МПК (5) G 01 R 27/28), содержащее два генератора качающейся частоты, первые управляющие входы которых соединены с выходом блока управления, другой выход которого соединен с третьим входом индикатора и входом перестраиваемого генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен со вторым входом второго фазового детектора, выход первого генератора качающейся частоты соединен с одним из входов первого смесителя блока фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты, одновременно соединенным с гетеродинным входом опорного смесителя, сигнальный вход, которого соединен с подвижным контактом третьего переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, подвижный контакт которого соединен с выходом усилителя, вход которого соединен с подвижным контактом первого переключателя, первый неподвижный контакт которого через аттенюатор соединен с одним из выходов первого делителя сигналов, второй выход которого соединен с первым неподвижным контактом второго переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен с вторым неподвижным контактом четвертого переключателя, выход первого смесителя фазовой автоподстройки частоты соединен с первыми входами первого фазового детектора и второго смесителя блока фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с первым входом второго фазового детектора, выход которого соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты, второй вход которого соединен с первым выходом перестраиваемого генератора промежуточных частот и входом второго делителя сигналов, выходы которого соединены с вторыми неподвижными контактами пятого и шестого переключателей, первые неподвижные контакты которых соединены между собой, подвижный контакт пятого переключателя соединен с выходом опорного смесителя, а подвижный контакт шестого переключателя соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала, выход которого соединен с вторым входом индикатора, первый вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, гетеродинный вход которого соединен с вторым входом смесителя промежуточной частоты, опорного канала, вторым выходом перестраиваемого генератора промежуточных частот и вторым входом второго смесителя блока фазовой автоподстройки частоты, выход индикатора соединен с входом решающего блока, вход третьего делителя сигнала соединен с выходом первого генератора качающейся частоты, один выход третьего делителя сигнала соединен с входом первого делителя сигнала, другой его выход – с сигнальным входом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, гетеродинный вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты, одновременно соединенным с одним из входов вспомогательного смесителя, другой вход которого соединен с подвижным контактом второго переключателя, а выход вспомогательного смесителя соединен с первым входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, выход четырехполюсника с преобразователем частоты соединен с третьим неподвижным контактом шестого переключателя.

К недостаткам данного устройства относится существенная погрешность, возникающая при измерении суммы сдвигов фаз опорного и дополнительного смесителей в режиме переменной и постоянной промежуточной частот.

На фиг.1 приведено последовательное соединение с помощью переключателей опорного и дополнительного смесителей устройства-прототипа в режиме измерения суммы сдвигов фаз.

В результате верхнего и нижнего преобразований по формуле

₁=₂±₃,

образуются сигналы двух частот: ₁=₂+₃ и ₁‘=₂–₃.

Эти два сигнала имеют разные значения частот и, следовательно, при прохождении ими одних и тех же электрических путей они будут иметь разное время запаздывания, что эквивалентно разным их фазовым сдвигам.

Каждый из таких сигналов в дополнительном смесителе с помощью сигнала от ГКЧ-2 с частотой ₂ преобразуется в два сигнала одной частоты, но имеющих разные фазовые сдвиги. При сравнении сдвигов фаз этих сигналов с фазой опорного канала в фазовом детекторе создается неопределенность (ошибка) в измерении фазовых сдвигов.

Оценим на примере величину этой ошибки (погрешности) измерения. Положим, что с помощью устройства производятся измерения в диапазоне СВЧ на частоте ₁, соответствующей f₁=3000 МГц при выбранной промежуточной частоте ₃, равной f₃=60 МГц.

В этом случае на выходе опорного смесителя будут одновременно существовать два сигнала с разными частотами с длиной волны и .

После прохождения аттенюатора и усилителя эти два сигнала разных частот с помощью сигнала от ГКЧ-2 с частотой ₃ в дополнительном смесителе преобразуются в сигналы одной частоты ₃, но имеющие разные фазовые сдвиги. Сигналу ₁ с частотой f₁=3000 МГц соответствует длина волны ₁=100 мм. Одновременно полной длине волны соответствует набег фазы 360°. Отсюда очевидно, что погрешность измерения фазовых сдвигов при одновременном существовании на одном из входов фазового детектора двух сигналов с различными фазами в первом приближении соответствует разности длин волн для частот и , равной 102-98=4 (мм).

В действительности эта погрешность будет больше, т.к. при вышеприведенном рассмотрении не учитывается неравномерность АЧХ и нелинейность ФЧХ электрического тракта между опорным и дополнительным смесителем, т.е. амплитудно-фазовая погрешность.

Для первого приближения можно составить пропорцию.

₁=100 мм соответствует сдвиг фаз 360°;

=4 мм соответствует сдвиг фаз .

Откуда

Следовательно, погрешность измерения фазового сдвига любой величины в пределах от 0 до 360(на частотах вблизи 3000 МГц будет составлять величину =14,4° без учета дополнительной амплитудно-фазовой погрешности.

Снижение влияния одного из двух сигналов или на погрешность измерений может быть достигнуто путем дополнительного введения между опорным и дополнительным смесителями полосового фильтра, работающего в диапазоне частот ₁. В связи с тем, что устройство имеет режим переменной промежуточной частоты ₃, полосовой фильтр должен синхронно перестраиваться с этой частотой, для чего необходимо соединить систему его перестройки с блоком управления.

Технической задачей предлагаемого технического решения является повышение точности измерения фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразованием частоты – смесителей за счет снижения погрешности, возникающей при измерении суммы сдвигов фаз опорного и дополнительного смесителей.

Для решения поставленной технической задачи предлагается в известное устройство для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, содержащее первый и второй генераторы качающейся частоты, блок управления, первый и второй делители сигналов, аттенюатор, первый переключатель, первый смеситель фазовой автоподстройки частоты, второй переключатель, третий переключатель, усилитель, второй смеситель фазовой автоподстройки частоты, первый фазовый детектор, вспомогательный смеситель, опорный смеситель, четвертый переключатель, второй фазовый детектор, перестраиваемый генератор промежуточных частот, пятый переключатель, делитель промежуточной частоты, испытуемый четырехполюсник с преобразователем частоты, шестой переключатель, смесители промежуточной частоты измерительного и опорного канала, индикатор и решающий блок, дополнительно ввести полосовой перестраиваемый фильтр.

При этом первые управляющие входы генераторов качающейся частоты соединены с выходом блока управления, третьим входом индикатора и входом перестраиваемого генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен с одним из входов второго фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты, один из входов которого соединен с выходом первого смесителя фазовой автоподстройки частоты и одним из входов первого фазового детектора, выход которого соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора. Выход первого генератора качающейся частоты соединен с входом первого делителя сигналов и одним из входов первого смесителя фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты, который соединен с гетеродинными входами опорного смесителя, дополнительного смесителя и испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, сигнальный вход которого соединен с одним из выходов первого делителя сигналов, другой выход которого соединен с входом второго делителя сигналов, первый выход которого через аттенюатор соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакт которого через усилитель соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым выходом второго делителя сигналов. Второй неподвижный контакт третьего переключателя соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя. Первый выход перестраиваемого генератора промежуточных частот соединен со вторым входом первого фазового детектора и входом третьего делителя сигналов, один из выходов которого соединен с вторым неподвижным контактом шестого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом пятого переключателя, второй неподвижный контакт соединен с вторым выходом третьего делителя сигналов. Подвижный контакт пятого переключателя соединен сигнальным входом опорного смесителя. Второй выход перестраиваемого генератора промежуточных частот соединен с вторым входом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты и гетеродинным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала, сигнальный вход которого соединен с подвижным контактом шестого переключателя, третий неподвижный контакт которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты. Подвижный контакт второго переключателя соединен с сигнальным входом дополнительного смесителя, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, выход которого соединен с одним из входов индикатора, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала. Выход индикатора соединен с входом решающего устройства. Сигнальный выход полосового перестраиваемого фильтра соединен с выходом опорного смесителя, сигнальный вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с подвижным контактом третьего переключателя. Управляющий вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с блоком управления.

К отличительным признакам предлагаемого устройства для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты относятся введение в устройство дополнительно полосового перестраиваемого фильтра, который в совокупности с существующими и новыми связями позволяет достигнуть требуемого технического результата. В результате этого повышается точность измерения фазовых сдвигов испытуемых четырехполюсников с преобразователем частоты за счет снижения погрешности определения фазочастотной характеристики дополнительного смесителя. Совокупность вновь введенных и имеющихся узлов позволяет снизить погрешность измерения истинного значения фазочастотной характеристики дополнительного смесителя за счет повышения точности измерения суммы сдвигов фаз опорного и дополнительного смесителей в режиме калибровки устройства.

На фиг.2. представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты.

Устройство содержит генераторы 1 и 2 качающейся частоты, блок 3 управления, первый делитель сигнала 4, второй делитель сигнала 5, аттенюатор 6, первый переключатель 7, первый смеситель фазовой автоподстройки частоты 8, второй переключатель 9, третий переключатель 10, усилитель 11, второй смеситель фазовой автоподстройки частоты 12, первый фазовый детектор 13, дополнительный смеситель 14, опорный смеситель 15, перестраиваемый полосовой фильтр 16, четвертый переключатель 17, второй фазовый детектор 18, перестраиваемый генератор промежуточных частот 19, пятый переключатель 20, третий делитель сигналов 21, испытуемый четырехполюсник с преобразованием частоты 22, шестой переключатель 23, смеситель промежуточной частоты измерительного канала 24, смеситель промежуточной частоты опорного канала 25, индикатор 26, решающий блок 27.

Первые управляющие входы генераторов 1 и 2 качающейся частоты соединены с выходом блока управления 3, третьим входом индикатора 26 и входом перестраиваемого генератора промежуточных частот 19, третий выход которого соединен с вторым входом второго фазового детектора 18, другой вход которого соединен с выходом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты 12, один из входов которого соединен с выходом первого смесителя фазовой автоподстройки частоты 8 и одним из входов первого фазового детектора 13, выход которого соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты 1, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 18, выход первого генератора качающейся частоты 1 соединен с входом первого делителя сигналов 4 и одним из входов первого смесителя фазовой автоподстройки частоты 8, другой вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты 2, который соединен с гетеродинными входами опорного смесителя 15, дополнительного смесителя 14 и испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22, сигнальный вход которого соединен с одним из выходов первого делителя сигналов 4, другой выход которого соединен с входом второго делителя сигналов 5, первый выход которого через аттенюатор 6 соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя 7, подвижный контакт которого через усилитель 11 соединен с подвижным контактом четвертого переключателя 17, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя 9, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым выходом второго делителя сигналов 5. второй неподвижный контакт третьего переключателя 10 соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя 17, первый выход перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 соединен со вторым входом первого фазового детектора 13 и входом третьего делителя сигналов 21, один из выходов которого соединен с вторым неподвижным контактом шестого переключателя 23, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом пятого переключателя 20, второй неподвижный контакт соединен с вторым выходом третьего делителя сигналов 21, подвижный контакт пятого переключателя 20 соединен сигнальным входом опорного смесителя 15, второй выход перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 соединен с вторым входом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты 12 и гетеродинным входом смесителя промежуточной частоты опорного канала 25, сигнальный вход которого соединен с подвижным контактом шестого переключателя 23, третий неподвижный контакт которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22, подвижный контакт второго переключателя 9 соединен с сигнальным входом дополнительного смесителя 14, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала 24, выход которого соединен с первым из входов индикатора 26, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала 25. Выход индикатора 26 соединен с входом решающего устройства 27, сигнальный выход полосового перестраиваемого фильтра 16 соединен с одним из входов опорного смесителя, сигнальный вход полосового перестраиваемого фильтра 16 соединен с подвижным контактом третьего переключателя 10. Управляющий вход полосового перестраиваемого фильтра 16 соединен с блоком управления 3.

Устройство работает следующим образом.

ГКЧ 1 и ГКЧ 2 могут работать в двух режимах.

В режиме первой переменной промежуточной частоты напряжением от блока управления 3 устанавливается начальная разность между частотой ₁, ГКЧ 1 и частотой ₂ ГКЧ 2, равная начальной промежуточной частоте полосы анализа исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22. Этим же напряжением устанавливается начальное значение первой переменной промежуточной частоты ₃ сигналов перестраиваемого генератора промежуточных частот 19, снимаемой с его первого выхода, равное начальной частоте полосы анализа. Затем относительно ГКЧ 2, настроенного на фиксированную частоту, включается свипирование ГКЧ 1 в диапазоне, равном полосе анализа на промежуточной частоте исследуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22. При этом синхронно с ГКЧ 1 свипирует перестраиваемый генератор промежуточных частот 19 в заданном диапазоне промежуточных частот.

Одновременно с сигналами первой промежуточной частоты в перестраиваемом генераторе промежуточных частот 19 вырабатываются сигналы вспомогательной промежуточной частоты, снимаемые с его второго выхода, сдвинутые на постоянную величину относительно сигналов первой промежуточной частоты с точностью до фазы в любой точке. Часть сигналов промежуточной частоты с выхода первого смесителя фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 8 подается на один из входов второго смесителя ФАПЧ 12, где смешивается с сигналом вспомогательной частоты от перестраиваемого генератора промежуточной частоты 19. Образовавшийся в результате этого сигнал второй постоянной промежуточной частоты с выхода этого смесителя подается на один из входов фазового детектора 18, где сравнивается с опорным сигналом частоты , вырабатываемым в перестраиваемом генераторе промежуточных частот 19 и снимаемым с его третьего выхода. Результат сравнения с выхода второго фазового детектора 18 подается на один из входов ГКЧ 1, управляя его частотой ₁, так, что разность между ней и частотой ₂ от ГКЧ 2 с точностью до фазы поддерживается равной текущему значению первой переменной промежуточной частоты ₃.

В режиме постоянной первой промежуточной частоты ₃ с помощью блока управления 3 осуществляется синхронное качание ГКЧ 1 и ГКЧ 2 в диапазоне СВЧ, при этом на один вход первого смесителя ФАПЧ 8 подается часть сигналов с выходов этих генераторов, а полученные в результате их смешивания сигналы первой (переменной) промежуточной частоты с выхода смесителя ФАПЧ 8 поступают на один из входов фазового детектора 13, где сравниваются с сигналами первой промежуточной частоты, используемой в качестве опорной от первого выхода перестраиваемого генератора 19 промежуточных частот. Результат сравнения подается на вход ГКЧ 1, управляя его частотой в процессе качания так, что разность частот между ним и ГКЧ 2 с точностью до фазы равна величине первой промежуточной частоты, на которую настроен перестраиваемый генератор промежуточных частот 19.

При каждом новом включении устройства, в самом начале производится калибровка, цель которой состоит в определении истинной фазочастотной характеристики дополнительного смесителя. После этого она запоминается в памяти индикатора и по мере необходимости воспроизводится на его экране.

В режиме калибровки в положении 1 переключателей 7, 9, 10, 17, 20, 23 реализуется схема для измерения разности фаз между выходными сигналами дополнительного 14 и опорного 15 смесителей. Перед измерениями производится выравнивание электрических длин дополнительного и опорного каналов и трактов сигналов гетеродина после их разделения делителями сигналов. Производится маркировка вспомогательного и опорного каналов устройства так, чтобы при измерении разности фаз, фаза в дополнительном канале была уменьшаемой, а в опорном – вычитаемой в этой разности.

Сигнал во вспомогательном канале может быть представлен в виде

где – амплитудное значение сигнала;

– начальная фаза сигнала во вспомогательном канале на первом (сигнальном) входе вспомогательного смесителя.

Сигнал в опорном канале может быть представлен в виде

где – амплитудное значение сигнала;

– начальная фаза сигнала в опорном канале на входе опорного смесителя.

Сигнал дополнительного канала через переключатель 9 подается на первый вход дополнительного смесителя 14, а сигнал опорного канала через аттенюатор 6, переключатель 7, усилитель 11, переключатель 10 и полосовой перестраиваемый фильтр 16 подается на первый (сигнальный) вход опорного смесителя 15, где преобразуется с помощью сигнала от ГКЧ 2 в сигналы первой (переменной) промежуточной частоты ₃. При этом ослабление аттенюатора 6 компенсирует усиление усилителя 11, а полосовой перестраиваемый фильтр 16 настроен на частоту сигнала ₁ от ГКЧ 1. Преобразование частоты может быть как вверх, так и вниз, и отвечает выражению

где ₃ – первая (переменная) промежуточная частота;

₁ – частоты сигналов ГКЧ 1;

₂ – частота сигналов ГКЧ 2. Допустим, в устройстве имеет место преобразование

Тогда на выходе дополнительного смесителя 14 имеет место сигнал, описываемый выражением

где – амплитудное значение сигнала,

– начальная фаза сигналов от ГКЧ 1 на первом (сигнальном) входе дополнительного смесителя 14;

– начальная фаза сигналов от ГКЧ 2 на втором (гетеродинном) дополнительного смесителе 14;

₁ – искомый сдвиг фаз дополнительного смесителя 14, вносимый им в фазу сигналов первой промежуточной частоты при преобразовании.

Учитывая условие (4) имеем

После преобразования на выходе опорного смесителя 15 имеет место сигнал, описываемый выражением

где – сигнал первой промежуточной частоты в опорном канале;

– амплитудное значение сигнала;

-начальная фаза сигналов от ГКЧ 1 на первом (сигнальном) входе опорного смесителя;

– начальная фаза сигналов от ГКЧ 2 на гетеродинном (втором) входе опорного смесителя;

₂ – сдвиг фаз аттенюатора 6;

₃ – сдвиг фаз усилителя 11;

₄ – сдвиг фаз полосового перестраиваемого фильтра 16;

₅ – сдвиг фаз опорного смесителя 15, вносимый им в фазу сигналов первой промежуточной частоты ₃ в процессе преобразования входного сигнала ₁.

Учитывая условие (4), имеем

Сигналы первой промежуточной частоты с выхода дополнительного 14 и опорного 15 смесителей поступают на сигнальные входы смесителей промежуточной частоты измерительного канала 24 и опорного канала 25, где с помощью гетеродинного сигнала (₃+ ), подаваемого из второго выхода перестраиваемого генератора промежуточных частот 19, они преобразуются в сигналы постоянной низкой промежуточной частоты – , которые поступают на измерительный и опорный входы индикатора 26, представляющего собой фазочувствительный индикатор отношений двух сигналов. В индикаторе 26 вычисляются отношение амплитуд и разность фаз двух сигналов, а результат подается в решающий блок 27, в котором фиксируется.

Полагая, что амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики смесителей 24 и 25 промежуточной частоты измерительного и опорного каналов идентичны, а индикатор 26 измеряет разность фаз между сигналами измерительного и опорного каналов второй низкой промежуточной частоты, результат сравнения разности фаз в индикаторе может быть представлен выражением

где А – разность фаз, градус с учетом знака;

k – коэффициент пропорциональности;

– функция, реализуемая фазовым детектором.

Практически все аттенюаторы СВЧ имеют линейную фазочастотную характеристику и, следовательно, их электрическая длина может быть компенсирована электрической длиной СВЧ-тракта. Учитывая это обстоятельство, можно утверждать, что сдвиг фаз ₂ аттенюатора 6 может быть скомпенсирован сдвигом фаз в измерительном канале , т.е.

С учетом (10) и полагая, что электрические длины трактов измерительного и опорного каналов гетеродина попарно равны индикатор отношений 29 зафиксирует результат измерений сдвигов фаз в виде

В положении 2 переключателей 7, 9, 10, 17, 20 и 23 реализуется схема для измерения суммы сдвигов фаз дополнительного 14 и опорного 15 смесителей.

Сигнал первой переменной промежуточной частоты от первого выхода перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 вторым делителем сигналов 21 разделяется на два канала: дополнительный и опорный.

Сигнал опорного канала через переключатель 20 подается на вход промежуточной частоты опорного смесителя 15. При этом дополнительный 14 и опорный 15 смесители переключателями 9, 10, 17 и 20 включаются последовательно так, что вход сигнала СВЧ дополнительного смесителя 14 через усилитель 11 и полосовой перестраиваемый фильтр 16 соединяется с входом сигнала СВЧ опорного смесителя 15. В этом случае на входе сигнала СВЧ опорного смесителя 15 в результате обратного преобразования и его избирательных свойств появляется сигнал суммарной частоты ₁=₂+₃, который после усиления усилителем 11 через полосовой перестраиваемый фильтр 16 поступает на вход дополнительного смесителя 14. На входе дополнительного смесителя 14 имеет место сигнал, описываемый выражением

где – начальная фаза сигнала от перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 в опорном канале;

₃ – сдвиг фаз усилителя 11;

₄ – сдвиг фаз полосового перестраиваемого фильтра 16;

₅ – сдвиг фаз, вносимый опорным смесителем 15 в фазу сигналов промежуточной частоты ₃;

– начальная фаза сигнала от ГКЧ 2 на гетеродинном входе дополнительного смесителя 14.

Коэффициент усиления усилителя 11 устанавливается таким образом, чтобы компенсировать потери преобразования опорного смесителя 15, следовательно, амплитуда на входе дополнительного смесителя 15 практически не меняется по сравнению со схемой, когда он включен для измерения разности сдвигов фаз.

С помощью полосового перестраиваемого фильтра 16 выделяется только тот из двух образующихся на выходе опорного смесителя 15 сигналов (₁=₂+₃ и ), частота которого равна частоте сигнала ₁ в режиме измерения разности фаз.

После преобразования в дополнительном смесителе 14 на его выходе имеется сигнал

где , – начальные фазы сигналов в противоположных гетеродинных каналах дополнительного 14 и опорного 15 смесителей;

₄ – сдвиг фаз полосового перестраиваемого фильтра 16;

₅ – сдвиг фаз опорного смесителя 15.

Присоединение гетеродина, роль которого выполняет ГКЧ 2 к дополнительному 14 и опорному 15 смесителям остается неизменным по сравнению со схемой для измерения разности фаз и поэтому

Затем этот сигнал подается на первый (сигнальный) вход смесителя промежуточной частоты измерительного канала 24, где с помощью гетеродинного сигнала от перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 он так же, как и в опорном канале с помощью смесителя промежуточной частоты опорного канала 25, преобразуется в сигнал второй постоянной промежуточной частоты , который поступает на измерительный и опорный входы индикатора отношений 26.

Учитывая, что индикатор 26 определяет разность фаз между сигналами на его сигнальном (первом) и опорном (втором) входах результат этого можно представить в виде

где k₁ – коэффициент пропорциональности;

– функция фазового детектора индикатора;

– начальная фаза сигнала от перестраиваемого генератора промежуточных частот 19 в опорном канале.

При равной электрической длине трактов измерительного и опорного каналов

Индикатор 26 зафиксирует измерение суммы сдвигов фаз в виде

который поступает в решающий блок 27.

Решающий блок 27 после поступления в него суммы сдвигов фаз производит решение системы уравнений

и определение истинного значения сдвигов фаз дополнительного смесителя 14 в виде

с учетом знаков суммы и разности сдвигов фаз.

Величина истинного сдвига фаз ₁ запоминается в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) индикатора 26. Истинный сдвиг фаз ₁, измеряемый в диапазоне частот, образует фазочастотную характеристику дополнительного смесителя 14.

После режима калибровки включается режим измерения и производится измерение испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22 (смесителя). Для этого все переключатели, кроме переключателя 23, устанавливаются в положение 2, т.е. реализуется схема измерения разности сдвигов фаз устройством, а шестой переключатель 23 устанавливается в положение 3.

В этом случае сигнал ₁, разделенный первым делителем сигналов 4, подается на сигнальный (первый) вход испытуемого четырехполюсника 22 с преобразователем частоты и первый вход дополнительного смесителя 14, на вторые (гетеродинные) входы которых поступает сигнал с ГКЧ 2.

Образовавшиеся сигналы первой промежуточной частоты ₃ подаются с выхода испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22 на первый вход смесителя промежуточной частоты опорного канала 25, а с выхода дополнительного смесителя 14 – на первый вход смесителя промежуточной частоты измерительного канала 24. В смесителях промежуточной частоты измерительного 24 и опорного 25 каналов сигналы с частотой ₃ преобразуются в сигналы постоянной промежуточной частоты , которые поступают с выхода смесителя 24 на вход измерительного канала, а с выхода смесителя 25 – на вход опорного канала индикатора 26. В индикаторе 26 происходит сравнение фазочастотных и амплитудно-частотных характеристик испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22 с аналогичными характеристиками дополнительного смесителя 14.

Ранее вычисленная и запомненная в ОЗУ индикатора 26 характеристика истинного сдвига фаз есть абсолютная фазочастотная характеристика дополнительного смесителя 14. Разность сдвигов фаз между испытуемым четырехполюсником с преобразователем частоты 22 и дополнительным смесителем 14, измеренная фазовым детектором индикатора 26, обрабатывается в нем путем сравнения с запомненной абсолютной фазочастотной характеристикой дополнительного смесителя 14 с учетом знаков и воспроизводится на экране индикатора 26 и регистрирующем табло в каждой частотной точке в виде фазочастотных характеристик и истинного значения сдвига фаз испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22.

Коэффициент передачи амплитудно-частотных характеристик испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты 22 измеряется аналогично.

Формула изобретения

Устройство для наблюдения и измерения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик четырехполюсников с преобразователем частоты, содержащее два генератора качающейся частоты, первые управляющие входы которых соединены с выходом блока управления, третьим входом индикатора и входом перестраиваемого генератора промежуточных частот, третий выход которого соединен с одним из входов второго фазового детектора, другой вход которого соединен с выходом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты, один из входов которого соединен с выходом первого смесителя фазовой автоподстройки частоты и одним из входов первого фазового детектора, выход которого соединен с третьим входом первого генератора качающейся частоты, второй вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, выход первого генератора качающейся частоты соединен с входом первого делителя сигналов и одним из входов первого смесителя фазовой автоподстройки частоты, другой вход которого соединен с выходом второго генератора качающейся частоты, который соединен с гетеродинными входами опорного смесителя, дополнительного смесителя и испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, сигнальный вход которого соединен с одним из выходов первого делителя сигналов, другой выход которого соединен с входом второго делителя сигналов, первый выход которого через аттенюатор соединен с первым неподвижным контактом первого переключателя, подвижный контакт которого через усилитель соединен с подвижным контактом четвертого переключателя, второй неподвижный контакт которого соединен со вторым неподвижным контактом второго переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с вторым выходом второго делителя сигналов, второй неподвижный контакт третьего переключателя соединен с первым неподвижным контактом четвертого переключателя, первый выход перестраиваемого генератора промежуточных частот соединен со вторым входом первого фазового детектора и входом третьего делителя сигналов, один из выходов которого соединен с вторым неподвижным контактом шестого переключателя, первый неподвижный контакт которого соединен с первым неподвижным контактом пятого переключателя, второй неподвижный контакт соединен с вторым выходом третьего делителя сигналов, подвижный контакт пятого переключателя соединен с сигнальным входом опорного смесителя, второй выход перестраиваемого генератора промежуточных частот соединен с вторым входом второго смесителя фазовой автоподстройки частоты и гетеродинными входами смесителя промежуточной частоты опорного канала, сигнальный вход которого соединен с подвижным контактом шестого переключателя, третий неподвижный контакт которого соединен с выходом испытуемого четырехполюсника с преобразователем частоты, подвижный контакт второго переключателя соединен с сигнальным входом дополнительного смесителя, выход которого соединен с сигнальным входом смесителя промежуточной частоты измерительного канала, выход которого соединен с одним из входом индикатора, второй вход которого соединен с выходом смесителя промежуточной частоты опорного канала, выход индикатора соединен с входом решающего блока, отличающееся тем, что в него дополнительно введен полосовой перестраиваемый фильтр, сигнальный выход которого соединен с одним из входом опорного смесителя, сигнальный вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с подвижным контактом третьего переключателя, управляющий вход полосового перестраиваемого фильтра соединен с блоком управления.

РИСУНКИ