CC BY
28
Л. Д. 0Г0Р0ДН1ЙЧУК
ВИКОРИСТАННЯ ПОДВ1ЙНОГО ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ В НВЧ-ФАЗОМЕТРII
Схеми з подвшним перетворенням частоти (ППЧ) застосовують-ся як у фазометрах високси частоти [1, 2], так I у вим!рювачах ком-плексних коефкцешйв передач! надвисокочастотних (НВЧ) чотири-полюсниюв як пристроТ змщення частоти [3]. Вони забезпечують широкий д1апазон частот пристрот, перенос вим!рювань на поспй-ну частоту, що дозволяе вимирювати параметр з меншою похибкою.
У фазометра НВЧ питания д!апазонносп 1 точносп актуальш, тому викликае штерес анал!з схеми фазометра НВЧ з- ППЧ для визначення п основних характеристик.
Ochobhi сшввЦношення
Симетричний BapiaHT схеми фазометра НВЧ, зображеного на рис. 1, мае три канали: два вхщних та один загальний. Сигнали НВЧ, що надходять на два входи приладу i р1зниця фаз ф2 —-фх м1ж якими вим!рюеться, мають вигляд
= cos [0J (0 i + (1)
Е2 = Ет2 cos [ю (¿) t + ф2], (2)
де 1,2 — ¡ндекси, що вщповщають верхньому та нижньому каналам;
Е, Ет — миттеве значения та амшитудна величина електрич-Hoi складовоК напруженосп електромагн¡тного поля; со —змшна частота; Ф —фазовий кут. На входи перетворювача 3, екв!валентна схема якого зображена на рис. 2, надходить сигнал (2) та вщ гетеродина 4 сигнал
Ег = Етг cos (соrt + фг). (3)
Для анал1зу вольт-амперну характеристику детектора перетво-рювача апроксимуемо експоненщальною залежшстю [4, 5]
/ = /„(«""-1), (4>
де *—струм детектора НВЧ;
10, а—параметри експоненти;.
и = иг + иг + «к + и0, (5)
и, м2, иг, ик, и0 —миттев1 значения напруг, що дноть на пере-творювач: загальноУ, сигналу, гетеродина, комбшащйних частот та постшноТ. Використовуючи функцп Бесселя 1(х) в!д уявного аргумента X при розкладанш (4) та враховуючи, що комбшащйш частота бе-
cL
to 7 1 13
6 // 12 1 15
9 8 t 2 14
руть участь у перетво-ренш, виведемо формулу
16
Рис. 1. Схема фазометра НВЧ .3 подвшним пере-творенням частота:
1—3 — перетворювач1; 4 — гетеродин; 5—8 —ф!льт-ри низьких частот; 9, 12 — подмышки НВЧ; 10 — компенсатор под!льника; 11 — п!дсилювач НВЧ; 13. 14 — ф!льтри високих частот; 15 — фазовнм!рюваль-ний пристрШ; 16 — ¡ндикаторний пристрШ.
Рис. 2. Екв1валентна схема перетворювача.
для напруги комбшащйних частот ик на навантаженш Z пеоетво-рювача
оо оо
2i0Zeau' 2 2 fi(aUm2).In(aUmr)
Мк= -* -:- х
1 + (aUm2) 10 (aUmr)
X cos {1«©г + i'<o (/)] t + фг„ + фa}, (6)
де Um—ампли-удна величина в¡дповщного .сигналу НВЧ.
1з сшввщношення (6) випливае, що piBeHb комбшащйних частот зменшуеться при зСНлыпенш абсолютно? величини шдекав i, п та зменшенш навантаження Z до нуля для шкщливих частот*. Напру-га комбшащйно1 частота, що вщповщае шдексам I — п — 1, е на-пругою пром!жно1 частота и0 i мае виг ляд
и'о = U'mO COS {[й)г + СО (/)] t + фг + ф2},
t
де Um„—амшитуда, що виражаеться сшввщношенням
2i(iZeaUaI1 (aU m2) /, {aUmr)
U mO
, 1 + m0Zea"°/0 (aUm2) 10 (aUmr)
(7)
(8)
Сигнал НВЧ (7), що проходить через загальний канал з коеф1-щентом передач! k0 i надходить як сигнал гетеродина на перетво-рювач1 1, 2, мае виг ляд
= Umoeos {[шг + © (/)] ¿ + фг + Фг + ФоК .(9)
де Um0— Um0K0 —ампл!туда сигналу;
Ф0 —фазовий кут, на який збшыыуетЬся фаза за раху-нок проходження сигналом загалыюго каналу.
На перетворювач1 1, 2 надходять також вхщш сигнали (1) i (2). Корисними шел я перетворення е сигнали НВЧ з р1зницевою ком-бшащйноючастотою (t = —\,п= 1)
- . upi = Umpi eos (mrt + фг + ф0 + ф2 — Фх). (Ю)
"р2 — Ump2 COS {(úrí + фг + ф0), (11)
де ир1, ира —mhttébí значения пром^жноУ частота на виходах перетворювач^в 1, 2\ Umpl, Ump2 —Ух амплггуди, що мають вигляд
тр[ 1 + ai.Ze^I, (aUm0) /0 (aUmi) ' '
и = V^bW^hiaUná П3) •
тр2 1 + ai<¡Zeau°I¡> (aUm0) íp (aUm2) ''
1з сшввщношень (10)—(13) випливае, що частота вихщних сигнал1в незмщна; фазов1 сшввщношення м!ж вхщними сигналами повшетю збер1гаються; ейгнали з ЧМ, ФМ чи АМ в одному канал! проходить схему з ППЧ без спотворення спектра сигналов; на величини амшптуд пром1жноТ частота впливають параметри перетворювач!в.
Для зменшення похибок за рахунок схеми ППЧ необхщно за-безпечити: 1) постшшсть амшптуди сигналов на виходах загального каналу; 2) ¡дентичшеть та широюэддапазоннкггь перетворювач!в /, 2, використовуючи Í1- та Н-шдабш хвилеводи. ДДапазоншсть перетворювач1в можна довести до 40% {7].
Невеликий pieeHb вихщних сигнал ¡в вимагае, щоб фазовим!рю-вальний пристрш (ФВП) використовував майже всю Тх потужшеть. Такими ФВП можуть бути подвшш хвилевщш мости (ПХМ), точн1сть вим1рювання фази якими на незмшшй частот! досягае 1° [81. Можна показати, що при використанш двох ПХМ для ФВП на випадок квадратичних характеристик чотирьох детекторов, од-наков!й Тх чутливосп та зв'язку з хвилеводами на виходах детек-TopiB е сигнал, який складаеться i3 поспйно1 та змшноТ частин. Якщо щ сигнали попарно скласти, то на пластини електронно-променево'1 трубки (ЕПТ) шдикатора надходять сигнали
их = ритр1итр2 eos (ф2 — фх), (14)
иу = $UmpXUmp2 sin (ф2 — Фх), (15)
де р —коеф!щент.
ГПд впливом напруг (14) I (15) на екраш ЕПТ виникае змицена вщ його центра св1тла точка, кутове положения яко! визначае вилпрювальний фазовий кут фв, а вщстань II вщ центра пропорщйна добутку амшитуд (12), (13) сигнал1в (14) I (15). Дгёсно,
Уи1 + к = №тр1итр2;
(16)
ЗВ1ДКИ
1§фв = -^ = 1§(ф2-ф1), и?
(17)
фв = ф2 —Фх- (18)
Величини (16) 1 (18) однозначно визнача-ють комплексний коефшент передач! досль джуваного чотириполюсника НВЧ.
Значний штерес викликае несиметричний вар1ант схеми з ППЧ, зображено! на рис. 3,
Рис. 3. Несиметрична схема фазометра НВЧ з подвш-
ним перетвореняям частота: 1,2 — перетворювач!; 3—5 — ф!льтри; 6 — гетеродин; 7 — подшьник потужносп; 8 — фазовилпрювальний пристрVI; 9 — ¡ндикаторний пристрШ.
в якШ опорним сигналом для одного 1з перетворювач1в може бути сам сигнал гетеродина, а опорним сигналом для другого перетво-рювача слщ використати один ¡з вхщних сигнал ¡в. Це дасть змо-гу не ставити шдсилювач НВЧ м1ж перетьорювачами.
Визначення основних похибок
У схем1 з ППЧ (рис. 1) основш похибкй виникають за рахунок неповного ф1льтрування шкщливих комбшацшних частот та на-явносп вщбиття. Похибка Афк за рахунок Д11 шюдливих комб1-нацшних частот може бути визначена за сшввщношенням
Афк = агс1ё
итк 5'п 9к
и„
итк с03 0к
(19)
де итк—ампл1туда комбшацшно! частота; итс — амплггуда сигналу; 0К —кут м1ж векторами сигналу та пшдливоТ комбшащйноТ частоти.
При невеликому значенш Афк та при 0К = 90° сшввцщошення (19) спрощуеться
Афк ■
Ь.
и„
(20)
Сшввщношення (20) визначае найбшьше значения похибки, 1 за ним визначають величину коефодента фшьтрацп шюдливих компонент фшьтрами, щоб забезиечити похибки, що не перевишують допустим!. Так, НВЧ сигнал гетеродина, який мае частоту вихщ-них сигнал ¡в та велику потужшсть по вщношенню до них, най-шкщливший. Вш знешкоджуеться фшьтром 6 з коефЫентом зне-шкодження 80—100 дб (з урахуванням динам!чного д1апазону фазометра). Комбшацшш частота також знешкоджуються фыьтрами 6, 13, 14 з коефодентом ф1льтраци 50—60 дб, фшьтри 5, 8, 9 спри-яють зменшенню штенсивносп частот на 40 —50 дб, а подыьник потужносп 12 забезпечуе розв'язку м1ж каналами приблизно на 50 дб. Загальна похибка за рахунок впливу сигнал1в шшдливих частот та впливу М1Ж каналами може бути доведена до 1°.
Найбшына похибка за рахунок вщбиття створюеться перетворю-вачами. Яйцо коефодент вщбиття вщ входов та виходу загального шестиполюсника Г= 0,15, то похибка Афг, знайдена за формулою [9] Дфг«±ап%2|ГИ|Гк|, (21)
дор1внюе ±3,5°.
Загальна похибка НВЧ частини фазометра приблизно дор1внюе 4—4,5°. Ягацо схема повшстю симетрична I добре настроена, похибку можна зменшити.
Чутливкть та динашчний дтпазон
Найб1льша потужшсть НВЧ, яка може подаватися на детек-тори ФВП при збереженш характеристик детектор ¡в квадратичними, дор1внюе 5.10-5 вт [10]. Ця потужшсть також е найбшыною, яку може забезпечити схема рис. 1 на вход! ФВП. Найменша потужшсть визначаеться похибкою, яка допускаеться за рахунок впливу шушв у схем! ! може бути визначена за формулою [11]
"с _ РМ /22)
"ш уШц' К
де Р — потужшсть сигналу, поглинута детектором;
М —добротшсть кристал1чного детектора, що вибираеться в межах 50—100;
£ —стала Больцмана;
Т —абсолютна температура;
Д/—смуга пропускания пщсилювача.
Формулу (22), беручи до уваги (20), можна звести до виду
р =-7Щ-• Ц6)
При Дф = 1°; М = 75; Ш = 1,6° • Ю-20 вш/гц; Д/ = Ю5 щ обчислена найменша потужн!сть РМ1К = 3,1- Ю-8 вт з урахуванням ршних вщцв втрат (приблизно 10—15 дб) характеризуе чутли-в!сть фазометра. За знайденими р1внями потужност! знаходимо динам^чний д!апазон, який становить приблизно 15—20 дб.
Висновки
1. Схеми з ППЧ повшстю придатш для використання ix у фазометрах НВЧ та. шших пристроях. Вони В1др1зняються вщ шших схем можливютю розширення частотного д1апазону та перетворення його у фтсовану частоту без спотворення фазових зсув1в.
2. Схема рис. 3 може мати в одному канал} (вщ гетеродина) сталу за piBHeM потужн1сть, що дозволяе використовувати и у ви-м1рювачах комплексних коефщ1в!тв передач! НВЧ чотириполюс-
НИШВ.
3. У ретельно вщстроенш cxeMi рис. 1 загальна похибка вимп-рювання фази може бути доведена до 3—4°.
Л1ТЕРАТУРА
1. Б о н ч - Б р у е в и ч А. М., Широков В. И., Некоторые вопросы фазовых измерений, Журнал технической физики, 1955, 25, № 10, 1825.
2. ВишенчукИ. М., К о т ю к А. Ф., М и з ю к Л. Я., Электромеханические и электронные фазометры, М.—Л., Госэнергоиздат, 1962.
3. Ясинский В. Л., Анализ погрешностей измерителя комплексного коэффициента передачи с двойным преобразованием частоты, Вестник КПИ, № 2, серия радиотехники, Изд-во КГУ, 1965.
4. Р у б и н С. Б., Некоторые теоретические вопросы работы фазометра на СВЧ, Радиотехника и электроника, 1961, № 1.
5. Г у т к и н Л. С-, Преобразование сверхвысоких частот и детектирование, М.—Л., Госэнергоиздат, 1953.
6. М и х р и н Л. М., Исследование возможности уменьшения мощности гетеродина при подаче смещения на кристаллические диоды смесителя, Информационно-справочный листок, 1964, № 01 759, 3.
7. Chacran 1., Ten en h о 11 z R., Recent advances in mierowave mixers, IRE Int. Conv. Ree., 1961, March-20—23, vol. 9, pt. 3, p. 139.
8. Л а й x t м a h И. Б., Некоторые вопросы работы фазового дискриминатора в диапазоне СВЧ. Научные доклады высшей школы. Радиотехника и электроника, 1958, № 4, 146.
9. Б о в а Н. Т., Кап л а н Э. Н., ЛайхтманИ. Б., Расчет одной линии с произвольным числом сосредоточенных неоднородностей, Известия вузов СССР — Радиотехника, 1962, V, Ms 3, 376.
10. Т и ш е р Ф., Техника измерений на сверхвысоких частотах, М., ГИФМЛ, 1963.
11. Гинзтон Э., Измерения на сантиметровых волнах, М., ИЛ. 1960.
L. D. OGORODNIYCHUCK
USING OF THE DOUBLE FREQUENCY CONVERTING FOR MICROWAVE PHASE MEASURING
Summary
Two schemes of the microwave phasemeter with double frequency converting are described in this article. The fundamental mathematical correlations are Ibrouhgt for them. The problem of the errors and the dynamic range is discussed. The possibility of the utilization of these schemes for microwave phase measuring is shown.
