Фазометр високочастотних діапазонів

1. Фазометр високочастотних діапазонів, який має два входи, послідовно з'єднані перший змішувач і перший фільтр, другий змішувач і другий фільтр, вузол проміжної частоти, а також вузол обробки інформації і індикації фазового зсуву, який підключено до виходів вузла проміжної частоти, а вузол проміжної частоти підключено до виходів першого і другого фільтрів, який відрізняється тим, що фазометр також має два модулятори, які підключено до входів фазометра, два генератори, які підключено до керуючих входів відповідних модуляторів, вузол обробки модульованих сигналів, який включено між виходами модуляторів і входами змішувачів, причому на вході кожного каналу вузол проміжної частоти має підсилювач. 2. Фазометр за п. 1, який відрізняється тим, що вузол обробки модульованих сигналів має два розгалужувачі, підключені до відповідних входів вузла, третій, четвертий, п'ятий і шостий фільтри, входи яких підключено до виходів відповідних C2 2 (19) 1 3 75496 З відомих фазометрів ВЧ діапазонів (далі фазометрів) найближчим аналогом до запропонованого є фазометр, описаний в [3]. В загальних рисах він являє собою двоканальну схему і складається з послідовно з'єднаних між собою перетворювача частоти, вузла проміжної частоти і вузла обробки інформації і індикації фазового зсуву. Перетворювач частоти має в кожному каналі фазометра послідовно з'єднаний змішувач і фільтр, один перестроюваний гетеродин, який через розгалужувач потужності під'єднаний до управляючих входів змішувачів частоти, і схему автопідстройки частоти гетеродина, яка включена між виходом одного фільтра і управляючим входом гетеродина. Схема працює так. Порівнювані по фазі сигнали (ПС) поступають на змішувачі. Схема перестройки частоти гетеродина управляє його частотою до того її значення, при якому на виходах змішувачів і фільтрів з'являються і підтримуються вимірювальні напруги проміжної частоти. Вони поступають на вузол проміжної частоти і далі на вузол обробки інформації і індикації фазового зсуву. Цей фазометр з перетворюванням частоти приймемо за прототип. Недоліками фазометра-прототипу є: - необхідність використання складного і дорогого перестроюваного гетеродина (вихідна частота якого близька до ПС); - необхідність використання складної схеми підстроювання частоти гетеродина; - велике значення фазоамплітудної (далі амплітудної) похибки фазометра при його роботі в динамічному діапазоні і при неідентичності амплітуд ПС; 4 - обмежені функціональні можливості. У прототипі основною складовою амплітудної похибки є похибка, що зумовлена кінцевим значенням розв'язки між каналами по колах гетеродина (на робочій частоті). Відомо [2], що ця похибка залежить від фазового зсуву, значення розв'язки і відношення амплітуд ПС. Для оцінки максимальних значень цієї складової похибки можна використати формулу: (1) p = 57,3(P1E1/P2E2/E1), де E1, E2 - Амплітуди ПС, Р1, Р2, - значення розв'язок між каналами по розгалужувачу потужності. При використанні в перетворювачі частоти одинакових змішувачів і інших вузлів Р1=Р2=Р і формула (1) перетворюється в наступну: (2) р=57,3Р(Е1/Е2+Е2/Е1). Для визначення умов екстремума (2) представимо Е1/Е2=Х. Тоді (3) р=57,3Р(Х+1/Х), Похідна (4) ( р)/=57,3Р(1-1/Х2), Функція (4) перетворюється у нуль при умові 2 1-1/Х =0, (5) тобто Х2=1, тоді (6) Х= 1. При використанні позитивного кореня умовою екстремуму є Х=Е1/Е2=1, звідки Е1=Е2. (7) Тоді мінімальна похибка має вигляд: (8) р min=114,6Р. Якщо значення Х змінюється, то і похибка (2) стрімко росте. В таблиці 1 наведені значення похибки (2) в залежності від Е1/Е2 і значення розв'язки. Таблиця 1 Значення максимальної похибки (2) в залежності від параметрів Р і Х Значення розв'язки, Р, дБ -20 -40 -60 -80 -100 0 11,5 1,15 0,11 0,012 0,0012 Максимальні значення похибки (градуси) при значеннях відношення амплітуд Х=Е1/Е2, дБ 20 40 60 80 57,3 ... ... 5,73 57,3 ... ... 0,57 5,73 57,3 ... 0,057 0,573 5,73 57,3 0,0057 0,057 0,57 5,73 100 ... ... 57,3 Примітка. Крапки ... означають, що розрахунки дають великі значення чисел. Як видно з таблиці 1, відносно малі похибки відповідають умові: Р дБ-ХдБ 40дБ, (9) Якщо ця умова не виконується, то похибка збільшується і може досягти недопустимо великих значень. Метою винаходу є виключення недоліків прототипу, тобто: - використання простих вузлів; - зменшення похибки вимірювань шляхом зменшення складової амплітудної похибки; розширення області використання фазометра. Прототип не може забезпечити вирішення цієї задачі тому, що він має іншу сукупність суттєвих ознак. Запропонований винахід забезпечує досягнення поставленої мети завдяки тому, що він має нову, відповідну, сукупність суттєвих ознак вузлів, модулів, схем, зв'язків. В запропонованому фазометрі, який має два входи, послідовно з'єднані перший змішувач і перший фільтр, другий змішувач і другий фільтр, вузол проміжної частоти, а також вузол обробки інформації і індикації фазового зсуву, який підключено до виходів вузла проміжної частоти, а вузол проміжної частоти підключено до виходів 5 першого і другого фільтрів, згідно винаходу, що фазометр також має два модулятори, які підключено до входів фазометра, два генератори, які підключено до управляючих входів відповідних модуляторів, вузол обробки модульованих сигналів, який включено між виходами модуляторів і входами змішувачів, причому, на початку кожного каналу вузла проміжної частоти включено підсилювач. Розроблені наступні варіанти виготовлення вузла обробки модульованих сигналів: - перший варіант полягає в тому, що вузол обробки модульованих сигналів має два розгалужувачі потужності, які підключено до відповідних входів вузла, третій, четвертий, п'ятий і шостий фільтри, входи яких підключено до виходів відповідних розгалужувачів, а виходи третього і п'ятого фільтрів підключено до першого і другого виходів вузла, виходи четвертого і шостого фільтрів - до третього і четвертого виходів вузла, або виходи третього і шостого фільтрів підключено до першого і другого виходів вузла, а виходи четвертого і п'ятого фільтрів - до третього і четвертого виходів вузла; - другий варіант полягає в тому, що вузол обробки модульованих сигналів має суматор, який підключено до входів вузла, чотириполюсник, який підключено до вихода суматора, розгалужувач, який підключено до вихода чотириполюсника, сьомий і восьмий фільтри, які підключено до відповідних виходів розгалужувача, а виходи фільтрів - відповідно до першого і другого виходів вузла, причому, в якості чотириполюсника використано лінію передачі і/або підсилювач, або/і вентиль. Розроблено такі варіанти виготовлення вузла проміжної частоти: - в якості підсилювачів, які включено на початку каналів вузла проміжної частоти, використано підсилювачі-обмежувачі; - в якості підсилювачів, які включено на початку каналів вузла проміжної частоти, використано підсилювачі з автоматичним регулюванням підсилення (АРП); - розроблена також схема підсилювачів з АРП, яка відрізняється тим, що обидва підсилювачі з АРП мають спільну схему АРП, вхід якої підключено до виходу одного з підсилювачів, а виходи - до регулюючих входів підсилювачів. Запропонований винахід можна пояснити за допомогою функціональних схем фазометрів, які приведені на Фіг.1 і Фіг.2. Схема фазометра за п. 1 і п. 2 формули винаходу приведена на Фіг.1. Фазометр двоканальний. Він має входи каналів 1 і 2. В склад фазометра входять амплітудні або балансні модулятори 3, 4, модулюючі генератори 5, 6, вузол 7 обробки модулюючих сигналів, в який входять розгалужувачі 8, 9, і фільтри 10, 11, 12, 13; вузол 18 проміжної частоти та вузол 19 обробки інформації і індикації фазового зсуву. Фазометр має такі зв'язки. До сигнальних входів модуляторів 3, 4 підімкнуто входи 1, 2 фазометра, а до управляючих входів - модулюючі генератори 5, 6 відповідно. Виходи модуляторів 3, 75496 6 4 через відповідні входи вузла 7 і його розгалужувачі 8, 9 підключено відповідно до фільтрів 10 11 і 12, 13 вузла 7. У першому варіанті підключення фільтрів виходи фільтрів 10 і 12 через перший і другий виходи вузла 7 підключено до відповідних входів змішувача 14, а виходи фільтрів 11 і 13, - через третій і четвертий виходи вузла 7 до відповідних входів змішувача 15. В другому варіанті підключення фільтрів виходи фільтрів 10, 13 через перший і другий виходи вузла 7 підключено до відповідних входів змішувача 14, а виходи фільтрів 11, 12 через третій і четвертий виходи вузла 7 підключено до відповідних входів змішувача 15. Вихід змішувача 14 через фільтр 16 підімкнуто до першого входу вузла 18, а вихід змішувача 15 - через фільтр 17 до другого входу вузла 18. Виходи вузла 18 підімкнуті до відповідних входів вузла 19. Схема фазометра за п. 1 і п. 3 формули винаходу приведена на Фіг.2. Він відрізняється від уже розглянутого вище схемою вузла 7 обробки модульованих сигналів. Вузол 7 має суматор 20, чотириполюсник 21, розгалужувач 22 і фільтри 23, 24. Виходи модуляторів 3, 4 через відповідні входи вузла 7 підключено до суматора 20, який через чотириполюсник 21 підключено до входу розгалужувача 22, до виходів якого підключено фільтри 23, 24. Виходи фільтрів 23, 24 через перший і другий виходи вузла 7 підключено до входів змішувачів 14, 15. У вузлі 7 фільтри 23, 24 можуть відрізнятися від фільтрів 10-13 вузла 7 фазометра Фіг.1 по електричним характеристикам. Змішувачі 14, 15 можуть бути одновходові (як показано на Фіг.2) або двовходові (цей варіант на Фіг.2 не показаний). Розглянемо роботу фазометра, схема якого зображена на Фіг.1. Порівнювані по фазі сигнали (ПС) можна описати виразами: (10) е1=Е1cos( t+ ); (11) e2=E2cos t, де Е1, Е2 - амплітуди, =2 f - кругова частота, f - частота, - вимірюваний фазовий зсув. ПС (10), (11) поступають на входи 1, 2 фазометра і далі на входи модуляторів 3, 4, в яких їх модулюють модулюючими сигналами, які формують за допомогою генераторів 5, 6. Модулюючі сигнали можна представити виразами: (12) е5=Е5cos( 1t+ 1); (13) е6=Е6cos( 2t+ 2), де Е5, Е6 - амплітуди, 1=2 F1, 2=2 F2 кругові частоти, F1, F2 - частоти, 1, 2 - початкові фази відповідних модулюючих сигналів Аналіз роботи фазометра виконаємо при наступних умовах, які на практиці легко виконуються: - в модуляторах 3, 4 здійснюють амплітудну (AM) або балансну (БМ) модуляцію; - між частотами забезпечуються умови f F1, f F2, F1 F2; - у формулах індекси при сигналах відповідають номерам елементів схеми фазометра. 7 75496 В результаті модуляції на виходах модуляторів одержимо модульовані сигнали, які мають вигляд: е3=К1Е1 С01+М1cos( 1t+ 1) cos( t+ + 1); (14) е4=К2Е2 С02+М2cos( е3=К1Е1С01cos( t+ + е4=К2Е2С02cos( t 2t+ 2) cos( t+ 1)+0,5К1Е1М1cos 2)+0,5К2Е2М2cos ( де К1, К2 - модулі коефіцієнтів передачі модуляторів 3, 4 і каналів в цілому, 1, 2 - фази коефіцієнтів передачі модуляторів і каналів в цілому; С01, С02 - коефіцієнти рівнів компонент несучої частоти, М1, M2 - коефіцієнти АМ або БМ. При AM C01=С02=1, при БМ С01