измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах

Формула изобретения

Измеритель флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах, содержащий задающий генератор, делитель мощности, проходное высокочастотное устройство, калибратор, амплитудно-фазовый приемник и индикатор, причем первый выход делителя мощности через проходное высокочастотное устройство и калибратор подключен к первому входу амплитудно-фазового приемника, второй вход которого соединен со вторым выходом делителя мощности, отличающийся тем, что в него дополнительно введены модулятор, амплитудно-частотный приемник и вычитающий каскад, при этом задающий генератор через модулятор соединен со входом делителя мощности и входы вычитающего каскада подключены: первый - к выходу амплитудно-фазового приемника, второй через амплитудно-частотный приемник - к третьему выходу делителя мощности, а выход вычитающего каскада соединен с индикатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области техники измерений и предназначено для измерения амплитудных и фазовых флуктуаций в проходных высокочастотных (ВЧ) устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других аналогичных, включая устройства сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов.

Речь идет об измерении шумовых низкочастотных (НЧ) амплитудных и фазовых модуляций (флуктуаций), создаваемых в электромагнитных колебаниях проходными ВЧ устройствами (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов), предназначенными к работе в современных когерентных малошумящих системах локации и связи. Известно, что к уровням амплитудных и фазовых флуктуаций таких устройств предъявляются жесткие требования, выполнение которых не возможно без создания достоверных и высокочувствительных измерителей флуктуаций, отделяющих амплитудные и фазовые флуктуации проходного ВЧ устройства друг от друга, от собственных шумов измерительной аппаратуры и от влияния флуктуаций задающего генератора.

Известен измеритель флуктуаций источников ВЧ колебаний (включая источники колебаний СВЧ и оптического диапазонов) [1], содержащий калибратор, индикатор и амплитудный приемник (в описании известного измерителя [1] применен его частный вид - амплитудный приемник корреляционного типа, состоящий из "двух независимых СВЧ детекторов с коррелятором") и позволяющий мерить амплитудные флуктуации в проходном ВЧ устройстве, возбуждаемом задающим генератором.

В этом известном измерителе благодаря применению корреляционного амплитудного приемника амплитудные флуктуации проходного ВЧ устройства отделены от собственных шумов измерительной аппаратуры. Однако, измеритель [1] не может мерить фазовые флуктуации проходного ВЧ устройства и обладает низкими достоверностью и чувствительностью измерения амплитудных флуктуаций, поскольку в нем (в измерителе) амплитудные флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не отделяются от влияния амплитудных флуктуаций задающего генератора.

Поэтому функциональные возможности, достоверность и чувствительность данного измерителя не достаточны, и этот измеритель не пригоден для измерения амплитудных и фазовых флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ устройствами.

Известен также измеритель флуктуаций источников ВЧ колебаний (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) [2], содержащий калибратор, индикатор и амплитудно-частотный приемник (в известном измерителе [2] применен его частный вид - амплитудно-частотный приемник корреляционного типа, состоящий из делителя мощности (в описании измерителя [2] использован термин "делитель напряжения"), резонансного контура, компенсатора уровня несущей, ключа, ВЧ переключателя, фазового дискриминатора и амплитудного приемника с суммарно-разностным коррелятором и с НЧ переключателем, и позволяющий при настройках, описанных в [2], раздельно выделять амплитудные или частотные флуктуации исследуемого колебания).

Этот известный измеритель может мерить не только амплитудные, но и частотные (фазовые) (известно, что связь фазовых флуктуаций (t) с эквивалентными им частотными флуктуациями (t) дается известным соотношением , где t - текущее о время в сек, t₁ - переменная интегрирования, размерность которой определяется пределами интегрирования) флуктуации в проходных ВЧ устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других. Кроме того, в этом измерителе амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации проходного ВЧ устройства отделены друг от друга и от собственных шумов измерительной аппаратуры, причем достоверность и чувствительность измерителя [2] по амплитудным флуктуациям выше, чем у известного измерителя [1].

Однако, в известном измерителе [2] амплитудные и частотные (фазовые) флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не отделены от влияния амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, возбуждающего проходное ВЧ устройство.

Поэтому достоверности и чувствительности известного измерителя [2] по амплитудным и частотным (фазовым) флуктуациям в проходных ВЧ устройствах не достаточны, и этот известный измеритель, как и известный измеритель [1], не пригоден для измерений амплитудных и частотных (фазовых) флуктуаций, создаваемых современными малошумящими проходными ВЧ устройствами.

Наконец, известен измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) [3], принятый нами за прототип и содержащий задающий генератор (в описании измерителя [3] назван "СВЧ генератор"), делитель мощности (в описании известного измерителя [3] назван "делитель"), проходное ВЧ устройство (в описании измерителя [3] названо "усилитель СВЧ"), калибратор, индикатор и амплитудно-фазовый приемник (в измерителе [3] применен его частный вид - амплитудно-фазовый приемник корреляционного типа, состоящий из компенсатора уровня несущей, ВЧ переключателя, дискриминатора (имеется в виду фазовый дискриминатор), ключа и амплитудного приемника с суммарно-разностным коррелятором (в описании измерителя [3] назван "суммарно-разностный каскад") и НЧ переключателем, и позволяющий при настройках, описанных в [3], раздельно выделять амплитудные или фазовые флуктуации выходного колебания проходного ВЧ устройства), причем первый выход делителя мощности через проходное ВЧ устройство и калибратор подключен к первому входу амплитудно-фазового приемника, второй вход которого соединен со вторым выходом делителя мощности.

Известный измеритель [3] может мерить амплитудные и фазовые флуктуации в проходных ВЧ устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других аналогичных. Кроме того, в этом известном измерителе амплитудные и фазовые флуктуации проходного ВЧ устройства отделены друг от друга и от шумов измерительной аппаратуры, причем чувствительность измерителя [3] по амплитудным и фазовым (частотным) флуктуациям проходного ВЧ устройства выше, чем у известного измерителя [2].

Однако, в измерителе [3], как и в известных измерителях [1, 2], амплитудные и фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не отделены от влияния амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора. Поэтому достоверности и чувствительности данного измерителя [3] не достаточны, и этот измеритель, как и известные измерители [1, 2], не пригоден для измерения амплитудных и фазовых флуктуаций, создаваемых малошумящими проходными ВЧ устройствами, типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других аналогичных, предназначенными к работе в современных когерентных системах локации и связи.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - устранение отмеченных недостатков прототипа, а именно создание измерителя амплитудных и фазовых флуктуаций в проходных ВЧ устройствах типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других аналогичных (включая устройства СВЧ и оптического диапазонов) с повышенными достоверностями и чувствительностями измерений, реализуемыми в условиях, когда амплитудные и фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, не только отделены друг от друга и от собственных шумов измерительной аппаратуры, как это имеет место в прототипе, но также отделены от влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, чего нет в прототипе.

Для решения данной технической задачи в известный измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах [3] (прототип), содержащий задающий генератор, делитель мощности, проходное ВЧ устройство, калибратор, индикатор и амплитудно-фазовый приемник, где первый выход делителя мощности через проходное ВЧ устройство и калибратор подключен к первому входу амплитудно-фазового приемника, второй вход которого соединен со вторым выходом делителя мощности, дополнительно введены (в отличие от прототипа) модулятор, амплитудно-частотный приемник и вычитающий каскад, при этом выход задающего генератора через модулятор соединен со входом делителя мощности и входы вычитающего каскада подключены: первый - к выходу амплитудно-фазового приемника, второй через амплитудно-частотный приемник - к третьему выходу делителя мощности, а выход вычитающего каскада соединен с индикатором.

Заявляемый измеритель благодаря наличию в нем модулятора, амплитудно-частотного приемника и вычитающего каскада с их связями и общей совокупности заявляемых признаков обладает повышенными, в сравнении с прототипом, достоверностями и чувствительностями измерений амплитудных и фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, поскольку в нем (в заявляемом измерителе), последовательно настраивая амплитудно-частотный приемник сначала на выделение амплитудных, а затем на выделение частотных флуктуаций задающего генератора (процедуры таких настроек описаны в [2]), можно достигнуть следующих результатов:

1. В режиме измерения амплитудных флуктуаций проходного ВЧ устройства - настроить амплитудно-фазовый приемник на выделение амплитудных флуктуаций выходного колебания проходного ВЧ устройства (процедура настройки описана в [3]) и, регулируя коэффициент передачи сигнала в тракте усиления амплитудно-частотного приемника (настроенного на выделение амплитудных флуктуаций задающего генератора), существенно ослабить в вычитающем каскаде влияние амплитудных флуктуаций задающего генератора на результат регистрации индикатором исследуемых амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством и отсчитываемых по калибратору.

2. В режиме измерения фазовых флуктуаций проходного ВЧ устройства - настроить амплитудно-фазовый приемник на выделение фазовых флуктуаций выходного колебания проходного ВЧ устройства (процедура настройки описана в [3]) и, вновь регулируя коэффициент передачи в тракте усиления амплитудно-частотного приемника (настроенного теперь на выделение частотных флуктуаций задающего генератора), существенно ослабить в вычитающем каскаде влияние частотных флуктуаций задающего генератора на результат регистрации индикатором исследуемых фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством и отсчитываемых по калибратору.

В дополнение к сказанному в заявляемом измерителе благодаря наличию модулятора удается оптимизировать и проконтролировать результаты данных настроек. Для этого в указанных режимах измерений с помощью модулятора последовательно вводят в выходное колебание задающего генератора сначала гармоническую амплитудную, а затем гармоническую частотную модуляции, величины которых на 30-40 дБ превосходят реальные значения амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, и далее путем регулировок коэффициентов передач сигналов в тракте усиления амплитудно-частотного приемника, отдельных для каждого из названных режимов измерений, обеспечивают настройки вычитающего каскада на предельные подавления в его выходном сигнале указанных гармонических модуляций в сравнении со случаями, когда амплитудно-частотный приемник выключен. Величины указанных подавлений (ослаблений) отсчитываются по индикатору и составляют не менее 20 дБ. Затем модулятор выключают и с помощью калибратора выполняют отсчеты исследуемых уровней амплитудных и фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством. При этом, как следует из сказанного, в заявляемом измерителе влияние амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты измерений амплитудных и фазовых флуктуаций проходного ВЧ устройства ослаблено на величину не менее 20 дБ, определенную по подавлению гармонических модуляций.

Кроме того, в заявляемом измерителе при применении амплитудно-фазового и амплитудно-частотного приемников корреляционного типа, аналогичных используемым в известных измерителях [2, 3], удается также, как и в прототипе, отделить амплитудные и фазовые флуктуации проходного ВЧ устройства от собственных шумов измерительной аппаратуры.

Из вышесказанного следует, что достоверности и чувствительности заявляемого измерителя по амплитудным и фазовым флуктуациям, создаваемым проходным ВЧ устройством, будут выше, чем у измерителя-прототипа [3], на величину не менее 20 дБ за счет соответствующего ослабления в нем (в заявляемом измерителе) влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора на результаты измерений, чего нет в прототипе.

Таким образом достигается решение поставленной технической задачи.

На чертеже представлена функциональная схема заявляемого измерителя флуктуаций в проходных высокочастотных устройствах.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах содержит: задающий генератор - 1, модулятор - 2, делитель мощности - 3; проходное ВЧ устройство - 4, калибратор - 5; амплитудно-фазовый приемник корреляционного типа - 6, вычитающий каскад - 7, амплитудно-частотный приемник корреляционного типа - 8 и индикатор - 9. При этом задающий генератор 1 через модулятор 2 соединен со входом делителя мощности 3, выходы которого подключены: первый через проходное ВЧ устройство 4, калибратор 5, первый вход и выход амплитудно-фазового приемника 6 - к первому входу вычитающего каскада 7, второй - ко второму входу амплитудно-фазового приемника 6 и третий через амплитудно-частотный приемник 8 - ко второму входу вычитающего каскада 7, выход которого соединен с индикатором 9.

Заявляемый измеритель флуктуаций в проходных ВЧ устройствах применяют следующим образом.

Колебание задающего генератора 1 в В, равное

(здесь и далее чертой сверху помечена операция усреднения по времени)

где t - текущее время в сек,

- среднее значение амплитуды колебания задающего генератора в В,

₁(t) - безразмерные амплитудные флуктуации задающего генератора,

и ₁(t₁) - средняя и флуктуационная составляющие частоты колебания задающего генератора в Гц,

t₁ - переменная интегрирования (размерность определяется пределами интегрирования),

через модулятор 2, могущий задавать в колебание u₁(t) гармонические амплитудную или частотную модуляции, на 30-40 дБ превышающие реальные значения амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора, подается на вход делителя мощности 3, выходные колебания которого поступают: u ₁₁(t) - на вход проходного ВЧ устройства 4, u ₁₂(t) - на второй вход амплитудно-фазового приемника 6, u₁₃(t) - на вход амплитудно-частотного приемника 8.

Колебание в В с выхода проходного ВЧ устройства 4, равное

(в данном выражении представление частотных флуктуаций задающего генератора в виде двух эквивалентных функций ₁(t₁) и ₁(t) оправдано с позиций математики, т.к. в первом случае ₁(t₁} стоит под знаком определенного интеграла и известно, что зависит только от t, а в втором случае компонент f₁ (t), зависящий от t, в сумме с остальными компонентами, стоящими под знаком синуса, образует составной аргумент синусоидальной функции, также зависящий только от t)

где - среднее значение амплитуды выходного колебания проходного ВЧ устройства в В,

₂(t) - безразмерные амплитудные флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством,

а - безразмерный коэффициент передачи амплитудных флуктуаций задающего генератора на выход проходного ВЧ устройства,

- средний фазовый сдвиг в рад выходного колебания проходного ВЧ устройства, отсчитываемый от фазы колебания задающего генератора,

₂(t) - фазовые флуктуации в рад, создаваемые проходным ВЧ устройством;

b - коэффициент преобразования в рад/Гц частотных флуктуаций задающего генератора в коррелированный с ними компонент фазовых флуктуаций в выходном колебании проходного ВЧ устройства,

подается через калибратор 5, могущий задавать в колебание отсчитываемые уровни шумовой амплитудной или частотной модуляции, на первый вход амплитудно-фазового приемника 6, на второй вход которого поступает часть колебания задающего генератора u₁₂(t).

1. В режиме измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, амплитудно-фазовый и амплитудно-частотный приемники корреляционного типа 6 и 8 настраивают известным путем на выделение амплитудных флуктуаций проходного ВЧ устройства 4 и задающего генератора 1, и сигналы в В с выходов этих приемников, очищенные от влияний собственных шумов измерительной аппаратуры и равные, соответственно

где K ₂ и К ₁ - безразмерные коэффициенты передач амплитудно-фазового и амплитудно-частотного приемников 6 и 8, соответственно, настроенных на выделение амплитудных флуктуаций,

- среднее значение в В амплитуды колебания u₁₃(t), составляющего часть колебания задающего генератора 1 (см. чертеж),

подаются на первый и второй входы вычитающего каскада 7, сигнал на выходе которого в В в этом режиме составит

Подбирая коэффициент передачи К ₁ таким образом, чтобы выполнить условие

где - оптимальное значение коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного на выделение амплитудных флуктуаций задающего генератора,

устраняют из выходного сигнала вычитающего каскада составляющую, связанную с действием амплитудных флуктуаций задающего генератора ₁(t).

Подбор оптимального значения коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного (в режиме измерения амплитудных флуктуаций проходного ВЧ устройства 4) на выделение амплитудных флуктуаций задающего генератора 1, выполняют следующим образом.

Сначала с помощью модулятора 2 задают в выходное колебание задающего генератора гармоническую амплитудную модуляцию, на 30-40 дБ превышающую реальное значение его амплитудных флуктуаций, и фиксируют соответствующее этому случаю показание индикатора 9. Затем, регулируя коэффициент передачи сигнала в тракте усиления амплитудно-частотного приемника 8 (такая регулировка всегда имеется в стандартном приемнике), добиваются уменьшения показания индикатора 9 на величину не менее 20 дБ. Такая настройка при последующем выключении модулятора 2 гарантирует ослабление на ту же величину (не менее 20 дБ) влияния амплитудных флуктуаций задающего генератора 1 на показания индикатора 9 в режиме измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 4.

При этом показания индикатора 9 в В², пропорциональные мощности поступающего на него шумового сигнала V ₂(t), составят

Исследуемые безразмерные амплитудные флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством 4, определяются соотношением

и отсчитываются по калибратору 5, задающему в этом режиме в выходное колебание проходного ВЧ устройства шумовую амплитудную модуляцию, равную по величине исследуемым амплитудным флуктуациям.

В действительности, последние три равенства выполняются всегда только приближенно и при описанной выше подстройке коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного на выделение амплитудных флуктуаций задающего генератора 1, выполняются с точностью не ниже 10%, при этом, как отмечено выше, в заявляемом измерителе влияние амплитудных флуктуаций задающего генератора на результат измерения амплитудных флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 4, гарантировано ослаблено на величину не менее 20 дБ.

Поэтому достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по амплитудным флуктуациям, принадлежащим проходному ВЧ устройству, выше, чем у традиционного решения - прототипа, на ту же величину, не менее 20 дБ, за счет соответствующего ослабления влияния на результат измерений амплитудных флуктуаций задающего генератора (чего нет в прототипе).

2. В режиме измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством, амплитудно-фазовый приемник корреляционного типа 6 настраивают известным путем на выделение фазовых флуктуаций выходного колебания проходного ВЧ устройства 4, а амплитудно-частотный приемник корреляционного типа 8 настраивают известным путем на выделение частотных флуктуаций колебания задающего генератора 1, и сигналы в В с выходов этих приемников, очищенные от влияний собственных шумов измерительной аппаратуры и равные, соответственно

где К ₂ - коэффициент передачи в Гц^-1 амплитудно-фазового приемника 6, настроенного на выделение фазовых флуктуаций проходного ВЧ устройства,

К_f1 - коэффициент передачи в рад^-1 амплитудно-частотного приемника 8, настроенного на выделение частотных флуктуаций задающего генератора,

подаются на первый и второй входы вычитающего каскада 7, сигнал на выходе которого в В в данном случае составит

Подбирая коэффициент передачи К_f1 таким образом, чтобы выполнить условие

где - оптимальное значение коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного на выделение частотных флуктуаций задающего генератора 1,

устраняют из выходного сигнала вычитающего каскада 7 составляющую, связанную с действием частотных флуктуаций задающего генератора f₁(t).

Подбор оптимального значения коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного (в режиме измерения фазовых флуктуаций проходного ВЧ устройства 4) на выделение частотных флуктуаций задающего генератора 1, выполняют следующим образом.

Сначала с помощью модулятора 2 задают в выходное колебание задающего генератора гармоническую частотную модуляцию, на 30-40 дБ превышающую реальное значение его частотных флуктуаций, и фиксируют соответствующее этому случаю показание индикатора 9. Затем, регулируя коэффициент передачи сигнала в тракте усиления амплитудно-частотного приемника 8 (такая регулировка всегда имеется в стандартном приемнике), добиваются уменьшения показания индикатора 9 на величину не менее 20 дБ. Такая настройка при последующем выключении модулятора 2 гарантирует ослабление на ту же величину, не менее 20 дБ, влияния частотных флуктуаций задающего генератора 1 на показания индикатора 9 в режиме измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 4.

При этом показания индикатора 9 в В ², пропорциональные мощности поступающего на него шумового сигнала V ₂(t), составят

Исследуемые фазовые флуктуации в рад², создаваемые проходным ВЧ устройством 4, определяются соотношением

и отсчитываются по калибратору 5, задающему в этом режиме в выходное колебание проходного ВЧ устройства 4 шумовую фазовую модуляцию, равную исследуемым фазовым флуктуациям.

В действительности, последние три равенства выполняются всегда только приближенно и при описанной выше подстройке коэффициента передачи амплитудно-частотного приемника 8, настроенного на выделение частотных флуктуаций задающего генератора, выполняются с точностью не ниже 10%, при этом, как отмечено выше, в заявляемом измерителе влияние частотных флуктуаций задающего генератора 1 на результат измерения фазовых флуктуаций, создаваемых проходным ВЧ устройством 4, гарантировано ослаблено на величину не менее 20 дБ.

Поэтому достоверность и чувствительность заявляемого измерителя по фазовым флуктуациям, принадлежащим проходному ВЧ устройству, выше, чем у традиционного решения - прототипа, на ту же величину, не менее 20 дБ, за счет соответствующего ослабления влияния частотных флуктуаций задающего генератора на результат измерений (чего нет в прототипе).

Описанные выше процессы показывают, что в заявляемом измерителе при соответствующих настройках амплитудные и фазовые флуктуации, создаваемые проходным ВЧ устройством, отделены друг от друга, от влияния амплитудных и частотных флуктуаций задающего генератора и от собственных шумов измерительной аппаратуры (при применении в качестве амплитудно-фазового и амплитудно-частотного приемников устройств корреляционного типа, аналогичных используемым в известных измерителях).

Поэтому достоверности и чувствительности у заявляемого измерителя по амплитудным и фазовым флуктуациям, создаваемым проходными ВЧ устройствами типа усилителей, ограничителей мощности, фазовращателей, разрядников и других, будут при выполнении описанных выше условий и настроек, как минимум, на 20 дБ выше, чем у традиционного решения - прототипа, за счет соответствующего ослабления влияний амплитудных и частотных флуктуаций задающих генераторов на результаты измерений амплитудных и фазовых флуктуаций проходных ВЧ устройств, чего нет в традиционных решениях.

Источники публикации:

1. Патент РФ №2088944, G 01 R 23/6, опубл. 1997.

2. А.С. СССР №652502, G 01 R 23/6, опубл. 1979.

3. А.С. СССР №515999, G 01 R 23/6, опубл. 1972.