Способ измерения характеристик радиотрактов

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„1337829

А1 дц 4 С 01 R 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ВСЕГОР31! АЯ с

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4049497/24-09 (22) 03 ° 04.86 (46) 15.09.87. Бюл. К 34 (71) Институт радиофизики и электроники АН УССР (72) Ю.М.Галаев и Б.В.Жуков (53) 621 317.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М - 1061069, кл, С 01 R 29/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

Р 855538, кл. G 01 R 29/00, 1978. формировании измерительного сигнала (ИС) в виде гармонического колебания с частотой, соответствующей частоте исследуемого радиотракта, с последующей его модуляцией по амплитуде дру,гим гармоническим колебанием с частотой, равной полонине ширины полосы

ИС. Затем сформированный ИС подается в исследуемый радиотракт и на его приемном конце формируются из ИС два сигнала равных частот путем раздельного перемножения сигнала несущей частоты с каждой боковой составляющей спектра принятого ИС с последующим измерением их относительного фазового сдвига, который измеряют между разностными составляющими перемноженных сигналов. Дана ил. выполнения устр-ва, реализующего данный способ. 4 ил, (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК

РАДИОТРАКТОВ (57) Изобретение относится к радиотехнике. Цель изобретения — повьппение точности измерения фазовых характеристик радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности. Сущность данного способа заключается в

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1337829 структурная электрическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит на передающей стороне генератор 1, модулятор 2, генератор 3 модулирующего сигнала, антенну 4, на приемной стороне фаэометр 5, антенну 6, первый, второй и третий фильтры 7, 8 и 9, первый, второй и третий усилители 10 11 и

12, первый и второй смесители 13 и

14, первый и второй фильтры 15 и 16 промежуточной частоты..

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Гармоническое колебание i с частотой р, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17, Acos(ut + Ы ) где А — амплитуда колебания, — начальная фаза колебания, модулируют по амплитуде другим гармоническим колебанием j с частотой

Й, равной половине ширины полосы исследуемого радиотракта 17, (2) Bcos(Qt + p ) где  — амплитуда колебания; начальная фаза колебания.

Колебание i промодулированное по амплитуде колебанием j записывается в виде

I Acos(gt + Ы ) + — icos ((y+

2

+ 7 ) < + о + 5) + — MAcos f(u>—

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для измерения и контроля комплексных коэффициентов передачи четырехполюсников и радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности.

Цель изобретения — повышение точности измерения фазовых характеристик радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности.

На фиг. 1 представлен спектр сформированного измерительного сигнала, на фиг. 2 — зависимость приращения фазы Ч измерительного сигнала от его частоты ы при распространении в среде беэ дисперсии, »а фиг. 3 — то же, в среде с дисперсией,на фиг, 4 (3) где сигнал 1 является измерительным;

М = В/А — коэффициент модуляции.

Первый член в выражении для представляет собой сигнал несущей частоты ы, второй член — сигнал верхней боковой частоты + Я, тре ð тий член — сигнал нижней боковой частоты (> — Л . Спектр такого измери тельного сигнала показан на фиг ° 1 °

Поскольку в заключительной операции способа сигналы сравниваются по фазе фазометром 5 (фиг. 4), где, как известно, одной из предварительных операций является ограничение по амплитуде, в дальнейшем для упрощения коэффициенты, описывающие ампли20 туды сигналов и их изменения, не приводятся.

Измерительным сигналом I зондируют исследуемый радиотракт 17. В результате распространения в условиях

25 изменяющейся протяженности радиотракта 17 и взаимодействия со средой распространения сигнал I изменяется. Уменьшаются амплитуды составляющих спектра, каждая из них поЗр лучает как доплеровское смещение частоты, так и приращение фазы ц пропорциональное своей частоте, длине радиотракта и дисперсионным свойствам исследуемого радиотракта. Из35 вестноу что при распространении радиоволн в среде без дисперсии дополнительное приращение фазы Ч в функции частоты сигнала представлено линейной зависимостью (фиг. 2), а в среде

4р с дисперсией — нелинейной зависимостью (фиг. 3). Из фиг, 2 и фиг. 3 видно, что отрезки на оси ординат, соответствующие равным (это обеспечено законом модуляции) частотным

4 отрезкам на оси абсцисс, равны величинам Ч " ч,1 и в случае среды без дисперсии они равны между собой (фиг, 2), а в случае среды с дисперсией (фиг. 3) не равны.

Таким образом, мера неравенства этих отрезков является мерой фазовых искажений д Ч, вносимых радиотрактом распространения радиоволн, которую можно записать в виде разности этих

55 Ч = (Ч„- Ч„ )- (Ч„, q- Ч„), или

1337829

Принятый на приемной стороне исследуемого радиотракта 17 в условиях изменяющейся его протяженности измерительный сигнал Т „р с учетом вьппеизложенного можно записать в виде

?,!р cosset +v t + a + Ч!,!) +

+ cos((v +Я )t + (!! + 5? )t +

+ g + р + Ч,„ 7+ cosГ(!! -A)t +

+ (u)) - g ) t + e - 3 + Ч„д7,() 30

+ M t + s + Ч,„) х

-й)с+ (ы -л )с+

Ц „д) = соя(иС + (u t +

+ ? < Ы < + 35

+ е — Ч„д) .

D = cos(vt х cos ((!„!

+ c(— +

+ 0! + Ч

+Я t o(5

Окончательно получим

D=cos(gt+g t+р+Ч

Ф

Id (6) Перемножим несущее колебание сигнала

I с верхней составляющей и возьмем 45 пр иэ результата перемножения колебание

F имеющее раэностную частоту, F = cos(at +u>t + a + V>) х

x cos((ы + Я )Т + (ь + Я )С +

+

+gt+ t+Я t+8+ 9+

+ ч - - t — Я с — с!- Ч ) !. ъ(() !д

55

Окончательно получим

F = cos(gt + Д + p — p + ? LJ где Ч, ч,, Ч,? — величины

15 дополнительных фазовых приращений, полученных составляющими спектра измерительного сигнала на несущей частоте, на верхней и нижней боковых частотах соответственно;

g — величины доплеровского смещения частот.

Раздельно перемножают сигнал несущей частоты с каждой из боковых составляющих спектра. Перемножим несущее колебание сргнала I ñ нижней боковой составляющей спектра и возьмем из результата перемножения колебание D имеющее разностную частоту, (7) +ч„,а ) Как видно, сигналы D u F имеют равные частоты величиной Я + ?, но разные фазовые приращения. Перемножим сигналы D u F и возьмем иэ результата перемножения разностную составляющую, т.е. измерим относительный фазовый сдвиг этих колебаний.

В результате получим

cos(yt +Я С + p+ !,„—

1 х cos(Qt +Д t + Л

Ч,Л »

DxF=

-Ч, ) +

D x F = cos(2 !1 — Ч д— Ч„„? ). (8) Таким образом, в силу изложенных выше операций с составляющими спектра принятого измерительного сигнала, результатом последней операции (8) являЕтся величина, пропорциональная значению фазовых искажений, вносимых исследуемым радиотрактом 17, которые в предлагаемом способе определяются,, ! как показано выше, величиной

2 4 — Ч с? — Ч, ?, а частота и начальные фазы генераторов 1 и 3, формирующих измерительный сигнал, их нестабильности и доплеровские сдвиги частот в силу производимых операций исключаются.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает гармоническое колебание с частотой, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17. Генератор 3 модулирующего сигнала вырабатывает гармоническое колебание с частотой, равной половине ширины полосы исследуемого радиотракта 17. Колебания от генераторов 1 и 3 поступают на модулятор 2, где вырабатывается измерительный сигнал, который поступает в антенну 4 и излучается в исследуемый радиотракт 17. В результате распространения измерительного сигнала в радиотракте в условияХ изменяющейся его протяженности и взаимодействия со средой распространения уменьшаются амплитуды составляющих спектра сигнала, каждый из них получает доп1337829

1,14 -10 " Вт (9) леровское смещение частоты и приращение фазы, пропорциональное своей частоте, протяженности радиотракта и его дисперсионным свойствам.

Измерительный сигнал принимается антенной 6, с выхода которой он поступает на первый, второй и третий фильтры 7, 8 и 9, настроенные на отдельные частоты составляющих спектра принятого измерительного сигнала. С выхода фильтров 7, 8 и 9 разделенные составляющие спектра измерительного сигнала усиливаются первым, вторым и третьим усилителями 10, 11 и 12 до уровней, обеспечивающих нормальный режим работы первого и второго смесителей 13 и 14.

С выхода первого усилителя 10 отфильтрованная и усиленная первая боковая частота измерительного сигнала подается на первый (сигнальный) вход первого смесителя 13. С выхода усилителя 12 отфильтрованная и усиленная вторая боковая частота измерительного 2„сигнала подается на первый (сигнальный) вход второго смесителя 14. С выхода второго усилителя 11 отфильтрованная и усиленная несущая частота измерительного сигнала одновременно подается на вторые (гетеродинные) входы первого и второго смесителей

13 и 14. В этих смесителях осуществляется раздельнбе перемножение сигнала несущей частоты с каждой боковой

35 составляющей спектра принятого измерительного сигнала ° Результаты перемножения с выходов смесителей поступают на первый и второй фильтры 15 и 16 промежуточной частоты, которые 4р настроены на раэностные частоты (составляющие) результатов перемножения.

Сигналы, выделяемые фильтрами 15 и

16 и имеющие равные частоты, но разные фазовые приращения, подаются на 4 фазометр 5, который измеряет фазовый сдвиг между раэностными составляющими перемноженных сигналов.

Пример. Измерительный сигнал формируем путем амплитудной модуля- 50 ции непрерывного колебания с частотой соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта 17 и равной 100 МГц, другим непрерывным колебанием с частотой F, равной поло- 55 вине ширины полосы исследуемого радиоканала, в данном случае 10 МГц.

Таким образом, с помощью генераторов

1 и 3, модулятора 2 и антенны 4 иэлучаются три частоты: нижняя боковая частота спектра с f — F = 90 МГц, несущая частота с f = 100 МГц, верхняя боковая частота с f + F = 110 МГц.

Источник измерительного сигнала размещается на самолете, скорость полета которого вдоль трассы распространения радиоволн равна 100 м/с (360 км/ч).

Подсчитаем энергетический потенциал системы. Мощность каждой составляющей спектра принятого измерительного сигнала с дистанции R = 100 км вычислим при условии, что суммарная выходная мощность P = О 1 Вт коФ Э эффициент усиления антенны 4 G п е р

3 дБ (2 раза), коэффициент усиления антенны 6 С„ = 1О дБ (10 раз), среднее значение длины волны измерительного сигнала I = 3 м.

Суммарная мощность, принятая антенной 6, определяется известным выражением .

Рз Спер Gïðг г пР2 16 l i2R

Полагая для упрощения, что все составляющие спектра имеют равные интенсивности, мощность каждой составляющей спектра Р, принятого измерительного сигнала примерно составляет

Р„. = Р„р /3 = 3,8 10 Вт, (10) Предельная чувствительность на приемной стороне по одному из каналов приема Р „,„, можно оценить иэ известного соотношения

П мин где К вЂ” постоянная Больцмана, Т вЂ” физическая температура приемного устройства, df — полоса пропускания, N — коэффициент шума.

Полосой пропускания в данном случае можно считать полосу пропускания фильтров 15 и 16 промежуточной частоты выделяющих разностные составляющие результатов перемножения в первом и втором смесителях 13 и

14 соответственно. Эти частоты в конкретном примере определены частотой модуляции F = 10 МГц, В качестве первого и второго фильтров 15 и

16 промежуточной частоты применим

1337829 одиночные копебатепьнь.е контуры с частотой настройки 10 МГц и нагруженной добротностью Q„ = 50. Полоса пропускания их определяется как ная суммарная погрешность меньше

107 от измеряемой величины и

Прохождение сигналов с частотами

f + F u f — F через второй фильтр

8 с частотой настройки f в силу конечности его затухания вне полосы пропускания не оказывает практического влияния, так как сигнал, снима10 емый с второго фильтра 8 через вто рой усилитель 11, является гетеродинным и подавляется в первом и втором смесителях 13 и 14. Одиночные колебательные контуры с нагруженной добро гностью 50-60 ед., что легко реализуется на частотах порядка

100 МГц, обеспечивают подавление мешающих сигналов на 27-28 дБ, что можно определить из выражения

df

fp н (12) где f — резонансная частота контура, и равна дй = 200 кГц. Предельная чувствительность с такой полосой и величиной N = 1О дБ равна Р„,,„„„; =

7,45 10 "- Вт. Следовательно, прием составляющих сигнала 1 на предельной дистанции исследуемого радиотракта

17 обеспечен при соотношении сигналшум, определяемом величиной

Р,P;3810

510,07 раз (+27,08 дБ). (13) d e= 201ÿ

Таким образом, энергетические характеристики устройства, реализующего предлагаемый способ, обеспечивают прием сигнала I с большим соотношением сигнал-шум. В качестве первого, второго и третьего фильтров

7, 8 и 9, разделяющих составляющие спектра принятого сигнала, применим одиночные контуры. Требования к полосе пропускания, т.е ° нагруженной добротности этих фильтров 7, 8 и 9, определяют исходя из следующих сооб-. ражений. Так, например, первый фильтр 7 с частотой настройки f + F, в силу конечности затухания на частоте f — F пропускает часть энергии сигнала этой частоты через первый усилитель 10 на вход первого смесителя 13, где он, перемножаясь с сигналом частоты f, на выходе дает составляющую с частотой F но с фазовым сдвигом, соответствующим сигналу частоты f — F. Таким образом, на выходе первого смесителя 13 присутствует два сигнала с частотой Р с разными фазовыми сдвигами: первый, большой мощности, за счет преобразования сигнала f + F и второй, малой мощности, за счет преобразования сигнала f — F. Аналогичные рассуждения справедливы и дпя третьего фильтра

9, третьего. усилителя 12 и второго смесителя 14. Можно показать, что при подавлении первым и вторым фильтрами 7 и 8 таких мешающих сигналов на величину больше 22 дБ максимапь= U, „/К 1,3.10 Вт, где R — входное сопротивление смеем сителя.

50 Следовательно, требуемое усилие от второго усилителя 11 К равно

Кр — коэффициент усиления второго усилителя 11 по мощности, дБ. обеспечения режима работы первторого смесителей 13 и 14

Для вого и где d — затухание, вносимое конту ром при расстройке;

25 нагруженная добротность контура, величина расстройки; резонансная частота контуР ра.

Определим необходимый коэффициент усиления первого, второго и третьего усилителей 10, 11 и 12. Наибольшее усиление требуется от второго усилителя 11 для обеспечения достаточно35 го уровня гетеродинного напряжения при работе первого и второго смесителей 13 и 14. Положим, что суммарное входное сопротивление первого и второго смесителей 13 и 14 на частоте

40 f равно 75 Ом, а требуемое напряжение равно О, 1 В. Такие параметры имеют большинство современных балансных транзисторных смесителей. Тогда величина необходимой мощности Р> равна

7829 10 ностью R и взаимодействия со средой распространения.

Как известно, такой фазовый набег записывается в виде

133 (15) = К R, 10 де

2iinf R с (16) 15

Р,.К К

Э х см i р Рсм

1,2 ° 10 Вт, где К вЂ” коэффициент усиления первого и третьего усилителей 10 20 и 12, К вЂ” коэффициент передачи первоР,см го и второго смесителей

13 и 14 °

Следовательно, на входах фазометра 5 при отсутствии потерь в первом и втором фильтрах 15 и 16 развивается напряжение, равное

Ч„V, п.f

Э с (17) 30 где P — мощность развиваемая на

l}x

Э входе фазометра 5, R — входное сопротивление фаl}x зометра 5, например, равное 100 Ом, что более чем достаточно для работы современных фазометров. Следует заметить, что второй усилитель 11 с коэффициентом усиления +75 дБ в од- по ном блоке склонен к самовозбуждению.

Поэтому усилитель следует разделить.

Рассмотрим результат распространения измерительного сигнала I в исследуемом радиотракте 17 и процедуру П5 его обработки.

Как следует иэ описания способа, на выходе фазометра 5 образуется сигнал, пропорциональный величине фазовых искажений д у, вносимых исследуе- 50 мым радиотрактом 17, которые определяются как

2Tinf R Ч„п с с (18) (14) где f

55 и- н пч= 2Ч„„- „-ч„,р

f ь по сигнальному входу, т,е. с выходов первого и третьего усилителей 10 и

12, обычно требуется сигнал на 20 дБ меньше, чем гетеродинный. Таким образом, коэффициент усиления первого и третьего усилителей 10 и 12 должен составлять порядка +55 дБ. Коэффициент передачи современных транзисторных балансных смесителей обычно составляет +10 дБ. Мощность сигналов частоты F на выходе первого и второ-, го смесителей 13 и 14 достигает величины

Бц, = VP,„R>, = 35 мВ, где Ч, Ч «р, ц, — фазовые пр ращения сигналов соответствующих частот, полученные в результате распространения на дистанции протяженгде К = 2 /1 — волновое число сигнала с длиной волны

Выражение (15) можно записать в вигде п — коэффициент преломления среды на частоте f; с — скорость света в вакууме.

При распространении радиоволн в условиях изменяющейся протяженности исследуемого радиотракта 17 величина

f входящая в формулу (16), изменяется, так как получает приращение частоты f вследствие эффекта Допле8 ра: где V — скорость изменения протяженГ ности исследуемого радиотракта 17, в данном случае равна

100 м/с.

Таким образом, выражение (16) запишется в виде

Из этого выражения видно, что член

V n/с значительно меньше единицы (так как n — величина порядка единицы, V „ в нашем случае равно 10 м/с, с = 3 108 м/с) и, следовательно, им можно пренебречь, Выражение (14) с учетом, что (d = 2И, можно записать в виде

fZnl}) ъ

27/R с несущая частота сигнала I равная 100 МГц; нижняя боковая частота, равная 90 МГц; верхняя боковая частота, равная 110 МГц;

1337829

1 .10 1

Р > 3 -10 х1 р000218 — 90 10 . 1,000215

110 10 . 1,000221) 30

=-О, 125664 рад, или Л ч= -7,2 град.

Расчет по точной формуле для Л V т. е. не пренебрегая членом V„. n/ã в

n — коэффициент преломления среды распространения радиоволн на несущей частоте, и„ вЂ” коэффициент преломления среды на нижней боковой частоте сигнала I, n — коэффициент преломления среды на верхней боковой частоте сигнала I, 10

Как известно, коэффициент преломления воздуха мало отличается от единицы и для стандартной тропосферы в приземном слое равен n „ = 1 000335, а на высоте 9 км равен и

1,000104. Положим, что среднее значение коэффициента преломления на трассе Земля-самолет имеет величину, равную на несущей частоте и = 1,000218, а в силу сложившихся метеусловий коэффициенты преломления среды на нижней боковой частоте и верхней боковой частоте равны и,1

1,000215, п = 1,000221. По формуле (19) подсчитаем величину фазовых 25 искажений у, вносимых таким радиотрактом: формуле (18), дает в этих же условиях величину 1ч = -7 24 град, Ошибка не превышает -0,04 град, Формула изобретения

Способ измерения характеристик радиотрактов, заключающийся в формировании измерительного сигнала, подаче сформированного измерительного сигнала в исследуемый радиотракт, формировании на его приемном конце из измерительного сигнала двух сигналов равных частот с последующим измерением их относительного фазового сдвига, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения фазовых характеристик радиотрактов в условиях изменяющейся их протяженности, измерительный сигнал формируют в виде гармонического колебания с частотой, соответствующей центральной частоте исследуемого радиотракта, с последующей его модуляцией по амплитуде другим гармоническим колебанием с частотой, равной половине ширины полосы исследуе мого радиотракта, на приемном конце формирование из измерительного сигнала двух сигналов осуществляется путем раздельного перемножения сигнала несущей частоты с каждой боковой составляющей спектра принятого измерительного сигнала, а фазовый сдвиг измеряют между разностными составляющими перемноженных сигналов.

1 337829 фиг4

Составитель Е.Голуб

Техред М.Ходанич Корректор A,Тяско

Редактор И.Рыбченко

Заказ 4127/44

Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4