УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРУППОВОГО ВРЕМЕНИ ЗАПАЗДЫВАНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано при измерении группового времени запаздывания и для определения действительного значения сдвига фаз устройств с преобразованием частоты (смесителей).

Известно устройство для определения коэффициентов передачи преобразователей частоты, позволяющее определять действительные значения сдвигов фаз смесителей и их групповое время запаздывания (пат. США №5,937,006 МПК H04B 3/46). Устройство состоит из векторного анализатора цепей, синхронизированного с ним гетеродина, испытуемого преобразователя частоты и двух опорных преобразователей частоты. Работа устройства заключается в следующем: с помощью векторного анализатора цепей измеряют суммарный сдвиг фаз испытуемого и первого опорного преобразователей частоты, испытуемого и второго опорного преобразователей частоты, первого и второго опорного преобразователей частоты. Затем решают систему из трех уравнений и вычисляют действительное значение сдвига фаз испытуемого преобразователя частоты.

Однако описанное устройство предполагает выполнение большого количества переключений и переподсоединений как в трактах промежуточной частоты (ПЧ), так и в трактах СВЧ в ходе процесса измерений, что вносит существенные погрешности в измерения сдвигов фаз на сверхвысокой частоте, из-за неидентичности механических соединений в трактах.

Известно устройство, измеряющее групповое время запаздывания смесителей (пат. США №6 362 631 МПК G01R 27/28). Данное устройство состоит из векторного анализатора цепей, к порту которого присоединен вход радиочастоты (РЧ) испытуемого преобразователя частоты, к выходу ПЧ которого присоединена линия задержки с известными параметрами. Линия задержки нагружена на рассогласованную нагрузку с известным коэффициентом отражения. Ко второму входу испытуемого преобразователя частоты присоединен гетеродин.

Однако данное устройство не учитывает амплитудно-фазовую погрешность смесителя, потому что мощность, поступающая от анализатора цепей на вход смесителя, больше мощности, отраженной от нагрузки и вернувшейся обратно в смеситель, и поэтому, вследствие амплитудно-фазовой погрешности, время гетеродинного преобразования частоты из РЧ в ПЧ отличается от времени обратного преобразования из ПЧ в РЧ. По этой причине данное устройство обладает невысокой точностью измерений.

Известно устройство для измерения абсолютных комплексных коэффициентов передачи и отражения СВЧ-устройств с преобразованием частоты (пат. РФ №2524049, МПК G01R 27/28, заявл. №2013106594/28(009774) от 14.02.2013). Устройство содержит испытуемый СВЧ-четырехполюсник, измеритель параметров четырехполюсников СВЧ, состоящий из генератора испытательных СВЧ-сигналов, первого переключателя и связанной с ним согласованной нагрузки, СВЧ-гетеродина, первого, второго, третьего, четвертого направленных ответвителей, векторного вольтметра с выходным контактом, первого и второго портов, испытуемого СВЧ-смесителя, опорного СВЧ-смесителя, СВЧ-генератора. Кроме этого устройство содержит двухканальный супергетеродинный приемник, образованный испытуемым СВЧ-смесителем и опорным СВЧ-смесителем, а также смесителем фазовой автоподстройки частоты, фазовым детектором, первым и вторым смесителями промежуточной частоты, вторым, третьим, четвертым переключателями, генератором опорных частот, компаратором и компьютером.

В данном устройстве не используются переключения на СВЧ и в нем учитывается амплитудно-фазовая погрешность. Однако это устройство не позволяет с высокой точностью измерять параметры преобразователей частоты, у которых промежуточная частота лежит в диапазоне СВЧ, по причине наличия переключателей в трактах промежуточной частоты. По этой причине это устройство имеет узкий диапазон рабочих промежуточных частот.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для определения сдвига фаз четырехполюсника с преобразованием частоты (а.с. СССР №1475347, МПК G01R 27/28). Оно состоит из измерительного фазового моста, векторного вольтметра, испытуемого и опорного преобразователей частоты, генератора испытательных сигналов, гетеродина и переключателей. С помощью данного устройства измеряют сумму сдвигов фаз испытуемого и опорного преобразователей частоты при их последовательном включении, а затем измеряют разность сдвигов фаз испытуемого и опорного преобразователей частоты при их параллельном включении. В результате вычисляют действительное значение сдвига фаз испытуемого преобразователя частоты и его групповое время запаздывания.

Это устройство имеет ограниченные возможности, т.к. при измерении выполняют переключения в СВЧ-трактах и трактах ПЧ, что не позволяет с высокой точностью измерять параметры преобразователей частоты, в том числе и тех, у которых ПЧ лежит в диапазоне СВЧ. Поэтому данное устройство имеет ограниченный рабочий диапазон частот.

Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение диапазона частот, на которых могут осуществлять измерения, и повышение точности измерения группового времени запаздывания преобразователей частоты с ПЧ, лежащей в диапазоне СВЧ за счет исключения переключений в трактах ПЧ в процессе измерения.

Для достижения технического результата предлагается устройство для измерения группового времени запаздывания преобразователей частоты, содержащее испытуемый преобразователь частоты, опорный преобразователь частоты, гетеродин, генератор испытательных сигналов, в которое дополнительно введены: управляемый фазовращатель, управляющее устройство, первый и второй фазовращатели, первый и второй синхронные детекторы, измеритель временных интервалов.

Выход генератора испытательных сигналов одновременно соединен с первым входом опорного преобразователя частоты, с первым входом первого синхронного детектора и с первым входом управляемого фазовращателя, второй вход которого соединен с выходом управляющего устройства, выход управляемого фазовращателя одновременно соединен с входом первого фазовращателя и первым входом испытуемого преобразователя частоты, выход которого соединен с входом второго фазовращателя, второй вход испытуемого преобразователя частоты соединен одновременно с выходом гетеродина и со вторым входом опорного преобразователя частоты, выход которого соединен с первым входом второго синхронного детектора, выходы первого и второго фазовращателей соединены со вторыми входами первого и второго синхронных детекторов соответственно, выходы первого и второго синхронных детекторов соединены соответственно с первым и вторым входами измерителя временных интервалов.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения группового времени запаздывания преобразователей частоты являются дополнительно введенные в него элементы, а именно: управляемый фазовращатель, управляющее устройство, первый и второй фазовращатели, первый и второй синхронные детекторы и измеритель временных интервалов; взаимное расположение элементов и связи между ними.

На фиг. представлена блок-схема предлагаемого устройства для измерения группового времени запаздывания преобразователей частоты. Устройство содержит генератор испытательных сигналов 1, управляемый фазовращатель 2, управляющее устройство 3, гетеродин 4, первый фазовращатель 5, первый синхронный детектор 6, опорный преобразователь частоты 7, испытуемый преобразователь частоты 8, измеритель временных интервалов 9, второй фазовращатель 10, второй синхронный детектор 11.

Выход генератора испытательных сигналов 1 одновременно соединен с первым входом опорного преобразователя частоты 7, с первым входом первого синхронного детектора 6 и с первым входом управляемого фазовращателя 2, второй вход которого соединен с выходом управляющего устройства 3. Выход управляемого фазовращателя 2 одновременно соединен с входом первого фазовращателя 5 и первым входом (входом радиочастоты) испытуемого преобразователя частоты 8, выход которого (выход промежуточной частоты) соединен с входом второго фазовращателя 10. Второй вход (гетеродинный) испытуемого преобразователя частоты 8 соединен одновременно с выходом гетеродина 4 и со вторым входом опорного преобразователя частоты 7, выход которого соединен с первым входом второго синхронного детектора 11. Выход первого фазовращателя 5 и выход второго фазовращателя 10 соединены со вторым входом первого синхронного детектора 6 и вторым входом второго синхронного детектора 11 соответственно. Выход первого синхронного детектора 6 и выход второго синхронного детектора 11 соединены с первым и вторым входами измерителя временных интервалов 9 соответственно.

Устройство работает следующим образом. Сигнал радиочастоты f_C от генератора испытательных сигналов 1 через управляемый фазовращатель 2 поступает на первый вход (вход радиочастоты) испытуемого преобразователя частоты 8, на второй (гетеродинный) вход которого поступает сигнал от гетеродина 4. Образованный в результате гетеродинного преобразования частоты сигнал промежуточной частоты f_пч в преобразователе частоты 8 с его выхода, через второй фазовращатель 10, поступает на второй вход второго синхронного детектора 11. Во втором синхронном детекторе 11 сигнал промежуточной частоты f_пч, поступающий на его второй вход, сравнивается по фазе со вспомогательным сигналом такой же промежуточной частоты f_пч, поступающим на его первый вход, с выхода опорного преобразователя частоты 7. Этот вспомогательный сигнал промежуточной частоты образуется в опорном преобразователе частоты 7 в результате перемножения в нем сигнала радиочастоты f_C, поступающего на его первый вход, от генератора сигналов 1, с сигналом гетеродина 4, поступающим на второй вход опорного преобразователя частоты 7 с выхода гетеродина 4. Сдвиг фаз, детектируемый вторым синхронным детектором 11 между сигналами, поступающими на его первый и второй входы, пропорционален амплитуде напряжения на выходе синхронного детектора 11. При совпадении фаз входных сигналов напряжение на выходе синхронного детектора 11 минимально, при сдвиге фаз между входными сигналами равном некоторой величине напряжение на выходе синхронного детектора 11 максимально. Сигнал с выхода второго синхронного детектора 11 поступает на второй вход измерителя временных интервалов 9. На первый вход измерителя временных интервалов 9 поступает сигнал с выхода первого синхронного детектора 6, который работает аналогично второму синхронному детектору 11. При этом в первом синхронном детекторе 6 сравниваются по фазе другие два сигнала одинаковой радиочастоты f_C, один из которых поступает на его первый вход напрямую от генератора сигналов 1, а другой поступает на его второй вход через первый фазовращатель 5 от выхода управляемого фазовращателя 2, на первый вход которого сигнал поступает от генератора сигналов 1. На второй вход управляемого фазовращателя 2 поступает управляющий сигнал с выхода управляющего устройства 3. При выключенном управляющем устройстве 3 на втором входе управляемого фазовращателя 2 отсутствует управляющий импульс и управляемый фазовращатель 2 вносит в сигнал радиочастоты f_C, проходящий через него от первого входа к выходу, некоторый минимальный сдвиг фаз, который после процесса калибровки принимается равным нулю. При включении управляющего устройства 3 с его выхода на второй вход управляемого фазовращателя 2 поступает управляющий импульс, и управляемый фазовращатель 2 вносит в сигнал радиочастоты f_C, проходящий через него от первого входа к выходу сдвиг фаз, равный величине ϕ. Измеритель интервалов времени 9 контролирует уровни напряжения на своих входах. При изменении уровня напряжения на первом входе измерителя интервалов времени 9 последний начинает отсчет времени и продолжает его до тех пор, пока не изменится уровень напряжения на втором его входе.

Перед началом измерений выравнивают электрические длины трактов, то есть калибруют устройство для измерения группового времени запаздывания преобразователей частоты следующим образом. Сначала запускают генератор испытательных сигналов 1 и гетеродин 4 и настраивают их на требуемые рабочие частоты и уровни выходной мощности, на которых предполагается проводить измерения, тем самым устанавливают рабочую точку испытуемого преобразователя частоты 8. Частоты и уровни мощности контролируют по встроенным в генератор испытательных сигналов 1 и гетеродин 4 частотомерам и измерителям уровня выходной мощности, которые являются их неотъемлемой частью. Управляющее устройство 3 отключают. С помощью регулировки первого фазовращателя 5 добиваются совпадения фазы сигнала радиочастоты f_C, поступающего на второй вход первого синхронного детектора 6 от генератора испытательных сигналов 1 через управляемый фазовращатель 2 и первый фазовращатель 5, с фазой сигнала, поступающего на первый вход первого синхронного детектора 6 напрямую от генератора испытательных сигналов 1. Затем с помощью второго фазовращателя 10 добиваются совпадения фазы сигнала промежуточной частоты f_пч, поступающего на второй вход второго синхронного детектора 11, с выхода испытуемого преобразователя частоты 8 через фазовращатель 10, с фазой сигнала промежуточной частоты f_пч, поступающего на первый вход второго синхронного детектора 11 с выхода опорного преобразователя частоты 7. Совпадение фаз контролируют по минимальному уровню напряжения на выходах первого синхронного детектора 6 и второго синхронного детектора 11 внешним вольтметром (на схеме не показан). Измеритель временных интервалов 9 устанавливают на нулевое значение времени.

После калибровки измерение группового времени запаздывания испытуемого преобразователя частоты 8 проводят следующим образом. Запускают управляющее устройство 3. Управляющий импульс поступает на второй вход управляемого фазовращателя 2, что приводит к сдвигу фаз сигнала радиочастоты f_C, проходящего через управляемый фазовращатель 2, на величину ϕ. Это приводит к сдвигу фазы сигнала радиочастоты f_C, поступающего на второй вход первого синхронного детектора 6 от выхода управляемого фазовращателя 2 через первый фазовращатель 5, также на величину ϕ, и к изменению амплитуды напряжения на выходе первого синхронного детектора 6 и связанным с ним первом входе измерителя временных интервалов 9. Измеритель временных интервалов 9 начинает отсчет времени от момента изменения сигнала на его первом входе. Одновременно с этим на величину ϕ сдвигается и сигнал, поступающий на первый вход (вход радиочастоты) испытуемого преобразователя частоты 8. Это приводит к изменению фазы сигнала промежуточной частоты f_пч на выходе испытуемого преобразователя частоты 8 также на некоторую величину. Т.к. выход испытуемого преобразователя частоты 8 через второй фазовращатель 10 соединен со вторым входом второго синхронного детектора 11, то последний зафиксирует это изменение фазы сигнала промежуточной частоты f_пч по отношению к неизменной фазе вспомогательного сигнала промежуточной частоты f_пч, поступающего от выхода опорного преобразователя частоты 7 во второй синхронный детектор 11 через его первый вход. Это приведет к изменению напряжения на выходе второго синхронного детектора 11, и на втором входе измерителя временных интервалов 9, что приведет к остановке отсчета времени. Таким образом, в измерителе временных интервалов 9 получают значение группового времени τ_гвз запаздывания испытуемого преобразователя частоты 8 на частоте f_C.

Полученное значение τ_гвз может быть преобразовано в сдвиг фаз, вносимый во входной сигнал радиочастоты f_C, при его гетеродинном преобразовании в сигнал промежуточной частоты f_пч в испытуемом преобразователе частоты 9, определяемый по формуле ϕ_абс=τ_гвз·2πf_С.

Предлагаемое техническое решение позволяет расширить диапазон частот, на которых могут осуществлять измерения, и повысить точность измерений группового времени запаздывания преобразователей частоты за счет исключения переключений в трактах промежуточной частоты в процессе измерений.