Спосіб обробки високочастотного складеного сигналу при вимірюванні фазового зсуву та пристрій для його здійснення

Изобретения относятся к области фазовой радиотехники и могут быть использованы в фазовых радиотехнических системах (дальше - РТС), автоматизированных стендах для измерения характеристик антенн и др. Известны способы обработки высокочастотного (ВЧ) составного сигнала при измерении фазовых сдвигов на ВЧ и соответствующие устройства: 1. Бондаренко И.К., Дейнега Г.А., Ма грачев З.В. Автоматизация измерений параметров СВЧ трактов. - М.: Сов. радио, 1969. - 304 с. 2. Ларкин Ю.Ф. Двукратное серродинирование в измерителях коэффициента передачи и отражении на СВЧ // Известия ВУЗов СССР - Радиотехника, - 1965. - № 6. - С. 715. 3. Авторское свидетельство СССР №175092, кл. G01R 27/32. 4. Огороднийчук Л.Д. Модуляционный метод исследования фазовых характеристик. - ПТЭ, 1990, №2, с. 127. В РТС [1-4 и др.] обработке ВЧ составного сигнала предшествуе т его формирование. Формирование состоит в том, что сравниваемые по фазе ВЧ сигналы, один из которых (или оба) предварительно модулированы), суммируют. Предметом анализа в заявке является обработка ВЧ составного сигнала. Общей особенностью известных способов обработки ВЧ составного сигнала при измерении фазовых сдвигов является перенос информации о фазовом сдвиге на относительно низкую промежуточную частоту (ПЧ), на которой осуществляют измерение фазового сдвига. Общей особенностью известных устройств обработки является наличие в них квадратичного детектора, который выполняет функцию преобразователя частоты (ПРЧ). Наиболее близкими техническими решениями к предлагаемым является способ и устройство, описанные в [4]. Они выбраны в качестве прототипов. В соответствии с известным способом-прототипом, из ВЧ составного сигнала (полученного в результате суммирования модулированных ВЧ сигналов) выделяют две компоненты одной боковой полосы, принадлежащие разным модулированным ВЧ сигналам, их преобразуют по частоте, выделяют первое напряжение ПЧ, а для измерения фазового сдвига используют первое и второе напряжение ПЧ. Известное устройство-прототип для реализации способа содержит последовательно включенные первый фильтр, первый ПРЧ (например, квадратичный детектор) и второй фильтр. Оно также имеет опорный канал ПЧ, к выходу которого и выходу второго фильтра подключают индикатор фазового сдвига РТС. Недостатками способа-прототипа являются: обеспечение узкого частотного диапазона, низкой разрешающей способности измерений, а также низкой точности измерений в режиме неравных амплитуд напряжений ПЧ. Недостатками устройства-прототипа являются узкий частотный диапазон, низкая разрешающая способность и точность, а также усложнение реализации фазовой РТС (обусловленное наличием опорного канала ПЧ). Цель изобретения - путем введения новых операций при простой схемной реализации обеспечить повышение разрешающей способности и точности, расширить частотный диапазон и ослабить требований к отдельным узлам. В основу изобретения - устройства для реализации способа поставлена сложная задача усовершенствования объекта, в котором, путем введения новых узлов (модулей) с соответствующими связями обеспечивается расширение частотного диапазона, повышение разрешающей способности и точности, ослабление требований к узлам. В предложенном способе обработки ВЧ составного сигнала при измерении фазового сдвига (в соответствии с п.1 формулы изобретения (ФИ), по которому из двухполосного ВЧ составного сигнала выделяют две компоненты одной боковой полосы, принадлежащие разным модулированным ВЧ сигналам, их преобразуют по частоте, выделяют первое напряжение ПЧ, а для измерения фазового сдвига используют первое и второе напряжения ПЧ, согласно изобретению, из ВЧ составного сигнала выделяют две другие компоненты, симметричные относительно несущей часто ты двум первым компонентам, их также преобразуют по частоте и выделяют второе напряжение ПЧ. Далее, в способе обработки (по п. 2 ФИ) частоту ВЧ составного сигнала преобразуют (например, с помощью вспомогательного радиосигнала). В предложенном устройстве обработки ВЧ составного сигнала для фазовой РТС (в соответствии с п. 3 ФИ), которое содержит последовательно соединенные первый фильтр - первый ПРЧ - второй фильтр, выход которого является первым выходом устройства, согласно изобретению, в устройство дополнительно введены разветвитель и последовательно включенные третий фильтр - второй ПРЧ - четвертый фильтр, выход которого является вторым выходом устройства, а разветвитель выходами подключен к входам первого и третьего фильтров соответственно, а его входявляется входом устройства. Далее (согласно п.4 ФИ), в устройство обработки введен третий ПРЧ, подключенный ко входу разветвителя. Причем (в соответствии с п. 5 ФИ), третий ПРЧ состоит из связанных между собой гетеродина и смесителя, а смеситель выходом подключен к разветвителю. Кроме того (п. 6 ФИ), в устройство обработки дополнительно введен усилитель, например, с автоматической регулировкой усиления (АРУ), который подключен к первому узлу устройства, т.е. к разветвителю или к первому входу смесителя, или включен между третьим ПРЧ и разветвителем (п. 7 ФИ). Сущность изобретения иллюстрируется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства обработки ВЧ составного сигнала. В его состав входят разветвитель 1, фильтры 2, 3, ПРЧ 4, 5 и фильтры 6, 7. Входом устройства является вход разветвителя 1, выходами - выходы фильтров 6, 7. Последовательно соединены фильтр 2, ПРЧ 4, фильтр 6, а также фильтр 3, ПРЧ 5 и фильтр 7. Вы ходы разветвителя 1 подключены соответственно к фильтрам 2, 3. В состав устройства обработки, структурная схема которого приведена на фиг. 2, входят те же узлы и дополнительно - третий ПРЧ. Он может быть выполнен по различным схемам. Как вариант его реализации является использование смесителя 8 и ВЧ гетеродина 9. Первый вход смесителя 8 является входом устройства, второй вход подключен к гетеродину 9, а выход - к разветвителю 1. Остальные связи сохраняются такими, как в схеме фиг. 1. Предложенный способ обработки ВЧ составного сигнала (по п. 1 ФИ) состоит в следующем. На вход разветвителя 1, т.е на вход устройства фиг. 1, поступает ВЧ составной сигнал. Его можно представить выражением где E1, Е2 - амплитуды сравниваемых ВЧ сигналов; j - фазовый сдвиг между ВЧ сигналами; w - частота ВЧ сигналов; W 1, W 2 - частоты модулирующи х напряжений; K - коэффициент, обусловленный модуляцией; в индексах при "k" первая цифра означает номер сравниваемого ВЧ сигнала, а вторая, т.е. 1, 0, -1 соответственно верхняя боковая, несущая и нижняя боковая компоненты., Из (1) следует, что ВЧ составной сигнал содержит несущую и две двухкомпонентные боковые полосы - верхнюю и нижнюю, которые расположены симметрично относительно компоненты несущей частоты. Такой составной сигнал можно сформировать путем амплитудной, балансной или фазовой модуляции ВЧ сигналов. Для дальнейшего анализа предположим, что W 1>W 2. С помощью разветвителя 1 ВЧ составной сигнал разветвляют на два составных сигнала, которые поступают на фильтры 2, 3. Фильтр 2 настроен на две компоненты верхней боковой полосы, а фильтр 3 - на две компоненты нижней боковой полосы. Выделенные фильтрами две пары компонент поступают на ПРЧ 4, 5, в качестве которых можно использовать квадратичные детекторы, Из продуктов преобразования с помощью фильтров 6, 7 выделяют первое и второе напряжение ПЧ где U1, U2 - амплитуды напряжений ПЧ; W 1 - W 2 - значения ПЧ. Идентичность каналов формирования напряжений (2), (3) легко обеспечить. Поэтому автоматически выполняется условие равенства амплитуд U1 = U2. (4) Напряжения (2), (3) с выходов фильтров 6, 7, т.е. с выходов устройства поступают на индикатор РТС (на фиг. 1 не показан), с помощью которого измеряют фазовый сдвиг Аналогичный результат можно получить, если фильтр 2 настроить на две компоненты нижней боковой полосы, а фильтр 3 - на две компоненты верхней боковой полосы ВЧ составного сигнала. Т.о. по сравнению с прототипом: разрешающая способность обеспечивается в два раза выше, что следует из (5); точность измерений повышается, поскольку измерения осуществляются при равных амплитудах (4) напряжений (2), (3). Для расширения частотного диапазона частоту ВЧ составного сигнала преобразуют (п. 2 ФИ). Преобразование можно осуществлять различными способами. Один из них состоит в использовании гетеродинного радиосигнала. Его можно формировать с помощью генератора или путем смещения частоты w одного из сравниваемых сигналов. Для реализации способа разработано устройство обработки ВЧ составного сигнала в фазовых РТС. Структурные схемы двух вариантов устройства приведены на фиг. 1 и фиг. 2, описаны их состав и связи между узлами. Рассмотрим подробней работу устройства фиг. 1. ВЧ составной сигнал (1) поступает на вход устройства (вход разветвителя 1). При его формировании легко выполнить условие K11»K1-1; K21»K2-1. (6) Им соответствует симметричный относительно несущей спектр с одинаковыми амплитудами соответствующи х левой и правой боковых компонент. Несущая ВЧ составного сигнала может быть неподавленной K10¹0; K20¹0, (7) или подавленной K10»0; K20»0. (8) Диапазон изменения амплитуды несущей компоненты зависит от вида и индекса модуляции, исходных уровней ВЧ сигналов и степени идентичности каналов их распространения. Можно показать, что несущая компонента не влияет на формирование напряжений (2), (3). Для дальнейшего анализа предположим, что: каналы с фильтрами 2, 6 и фильтрами 3, 7 идентичны; фильтр 2 настроен на две компоненты верхней боковой полосы, а фильтр 3 - на две компоненты нижней боковой полосы; подавление этими фильтрами компонент противоположных полос конечное. Тогда на выхода х фильтров 2, 3 получим сигналы, состоящие из двух полезных боковых компонент и двух паразитных боковых компонент. В результате преобразования частоты в ПРЧ 4, 5 и выделения фильтрами 6, 7 напряжений ПЧ полезные компоненты обеспечивают получение полезных напряжений (2), (3), по которым измеряют фазовый сдвиг (5) с увеличенной разрешающей способностью в два раза, а паразитные компоненты приведут к появлению паразитных напряжений той же ПЧ, которые обусловят погрешности измерений. Для оценки этих погрешностей предположим, что модуль коэффициента передачи фильтров 2, 3 по каждой полезной боковой компоненте равен р, а по каждой паразитной - рп. Тогда максимальное значение погрешности из-за неидеального подавления паразитных компонент одним фильтром двумя фильтрами В таблице приведены значения погрешности (10) в зависимости от характеристик фильтров 2, 3. Из полученных данных видно, что при относительно небольшом ослаблении, порядка 30-40 дБ, значение погрешности (10) исчезающе мало. Из этого следует, что требования к фильтрам 2, 3 выполнить легко. Индикатор фазового сдвига (5) работает в режиме разных амплитуд (4). Поэтому влияние его амплитудной погрешности минимально, что позволяет повысить точность измерений. Для расширения частотного диапазона в устройство обработки фиг 2 введен третий ПРЧ (пп. 4, 5 ФИ). Он состоит из связанных между собой смесителя 8 и гетеродина 9. Смеситель выходом подключен к входу разветвителя 1, а первый его вход является входом устройства. ПРЧ переносит спектр частот ВЧ составного сигнала на более низкую частоту. Благодаря этому узлы 1-5 устройства работают на фиксированной частоте или в более узком диапазоне частот, чем диапазон частот входных сигналов. Э то позволяет расширить частотный диапазон устройства и дополнительно повысить точность измерений. Для дополнительного повышения точности в устройство введен усилитель, например, с АРУ. Он подключен ко входу первого узла устройства - разветвителя 1 на фиг. 1 (п. 6 ФИ), смесителя 8 на фиг. 2 (п. 6 ФИ). Усилитель с АРУ обеспечивает малое изменение уровня сигнала на его выходе по сравнению с возможным изменением входного сигнала в пределах динамического диапазона. Выходной уровень целесообразно устанавливать таким, который соответствуе т минимальной амплитудной погрешности. Это позволит дополнительно повысить точность измерений. Из описания изобретений следует, что они позволяют достичь поставленных существенных целей. Это обеспечивает существенное расширение области использования предложенных технических решений, и, с учетом высокой серийнопригодности устройства, большой экономический эффект.