СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ФАЗЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
METHOD FOR MEASURING PHASE SWITCHING TIME OF MICROWAVE SIGNAL

Изобретение относится к радиолокационной технике и может использоваться для измерения времени переключения фазы сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала при проведении проверки параметров фазовращателей в импульсном режиме.
Управление фазой сигнала в СВЧ тракте производится с помощью двух- или четырехполюсных устройств с переменными параметрами, изменяющимися под воздействием электрического или магнитного поля. Такие устройства называют фазовращателями и широко применяют в фазированных антенных решетках (ФАР), радиопередающих и радиоприемных устройствах СВЧ, аппаратуре для физических исследований и контрольно-измерительной аппаратуре различного назначения. Наиболее широко фазовращатели применяются в ФАР радиолокационных станций (РЛС).
Современные ФАР состоят из нескольких тысяч или даже десятков тысяч элементов, каждый из которых содержит фазовращатель. Поэтому характеристики и стоимость РЛС в значительной степени зависят от параметров и стоимости фазовращателей. В настоящее время в основном используются ферритовые и полупроводниковые фазовращатели.
К фазовращателям, предназначенным для использования в многоэлементных ФАР, предъявляются многообразные и жесткие требования, одним из которых является минимальное время переключения фазы СВЧ-сигнала (изменения фазового состояния) при возможно меньшей мощности управляющего сигнала. Следует также отметить, что снижение потерь СВЧ-мощности и энергии, затрачиваемой на переключение фазы, обеспечивает решение одной из сложнейших проблем в конструировании передающих ФАР - отвода тепла от фазовращающих элементов и стабилизации их температуры.
п1
п2
п1
п2
Время переключения фазы СВЧ-сигнала в общем случае представляет собой время перехода сигнала из одного фазового состояния в другое. Используемый в настоящий момент способ измерения времени переключения фазы основан на непосредственном детектировании выходного сигнала с выхода фазовращателя и его отображении на экране осциллографа. Форма сигнала, соответствующая моментам переключения фазового состояния, показана на фиг. 1 (диаграмма 1), где t и t - значения времени переключения сигнала из одного фазового состояния в другое, например время переключения фазы сигнала из 0° в 180° и время переключения сигнала в начальное фазовое состояние (180°-0°). Данное измерение возможно провести при значениях t и t в пределах до единиц микросекунд.
п1
п2
При значительно меньших значениях t и t (порядка нескольких десятков наносекунд) форма сигнала искажается, как показано на фиг. 1 (диаграмма 2), и провести достоверные измерения не представляется возможным.
Из уровня техники известен способ измерения вносимых фазовых ошибок дискретного двоичного фазовращателя [Авторское свидетельство №1741089, МПК G01R 27/28, 1992 г.], основанный на подаче на его вход СВЧ-сигнала, а на управляющие входы управляющих напряжений, в котором с целью сокращения времени измерений и достижения возможности измерений на высоком уровне мощности в качестве управляющих напряжений используют прямоугольные напряжения, синхронизированные по фронту или спаду, измеряют амплитуды спектральных составляющих выходного сигнала, по которым определяют вносимые фазовые ошибки.
Данный способ позволяет проводить измерения на высоком уровне мощности СВЧ-сигнала за минимальное время, но предназначен только для измерений вносимых фазовых ошибок.
В качестве прототипа для заявляемого способа выбран способ контроля фазовременных характеристик ферромагнитных фазовращателей [Патент РФ №2193262, МПК Н01Р 1/19, G01R 31/01, 2002 г.], заключающийся в том, что на электронно-лучевом индикаторе измерительного стенда отображают функциональную зависимость разности фазовременных характеристик от длительности импульса напряжения, подаваемого в управляющую обмотку эталонного и контролируемого фазовращателей, по которой производится оценка степени соответствия фазовременной характеристики контролируемого фазовращателя эталонной характеристике и принимается решение о порядке настройки контролируемого фазовращателя или его отбраковке.
Указанный способ позволяет наблюдать многие особенности фазовременной характеристики фазовращателей и оценивать ее тонкую структуру, однако он не предоставляет возможности измерять время переключения фазового состояния СВЧ-сигнала в очень малом диапазоне.
Технический результат заявляемого изобретения направлен на разработку способа, позволяющего осуществлять непосредственное измерение времени переключения фазы сверхвысокочастотного сигнала при проведении проверки фазовращателей в очень малом диапазоне его значений (порядка нескольких десятков наносекунд).
Технический результат заявляемого способа измерения времени переключения фазы сверхвысокочастотного сигнала достигается тем, что для измерения используют эталонный и контролируемый фазовращатели, при этом результат измерения отображают на электронно-лучевом индикаторе измерительного стенда. Импульсный сверхвысокочастотный сигнал с помощью делителя распределяют в первую и вторую линии передачи с одинаковым набегом фаз, посредством которых подают его на входы эталонного и контролируемого фазовращателей. Переключение фазы сверхвысокочастотного сигнала осуществляют посредством контролируемого фазовращателя. Сформированные на выходах обоих фазовращателей сигналы посредством третьей и четвертой линий передачи с одинаковым набегом фаз подают на балансный сумматор, с помощью которого формируют суммарный сигнал, зависящий от соотношения фаз этих сигналов. После чего по длительности фронта и среза отображенной на электронно-лучевом индикаторе огибающей полученного суммарного сигнала определяют значения времени переключения фазы.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе измерения времени переключения фазы сверхвысокочастотного сигнала с целью измерения малых значений времени переключения фазы СВЧ-сигнала при проведении проверки, например дискретных фазовращателей, используют эталонный и контролируемый фазовращатели. При этом импульсный СВЧ-сигнал высокой мощности с помощью делителя распределяют в две линии передачи с одинаковым набегом фаз и подают его на эталонный и контролируемый фазовращатели, а время переключения фазы определяют по результирующему сигналу, который отображают на электронно-лучевом индикаторе (например, осциллографе) измерительного стенда. Переключение фазы СВЧ-сигнала осуществляют посредством контролируемого фазовращателя, для чего на него подают импульсы переключения фазового состояния, при этом фаза сигнала, проходящего через эталонный фазовращатель, не меняется. Сигналы, сформированные на выходах обоих фазовращателей, посредством линий передачи с одинаковым набегом фаз подают на балансный сумматор, с помощью которого формируют суммарный (результирующий) сигнал, зависящий от соотношения фаз выходных сигналов (противофазных или синфазных). После этого по длительности фронта и среза отображенной на электронно-лучевом индикаторе огибающей полученного суммарного сигнала определяют значения времени переключения фазового состояния.
На фиг. 2 представлена блок-схема, реализующая предлагаемый способ измерения.
Схема содержит генератор непрерывного СВЧ-сигнала (ГНС) 1, выход которого подключен к входу делителя (Д) 2, первый выход которого соединен посредством первой линии передачи (L1) 3 с входом эталонного фазовращателя (ЭФ) 4, а второй выход посредством второй линии передачи (L2) 5 - с первым входом контролируемого фазовращателя (КФ) 6, ко второму входу которого подключен генератор импульсов переключения фазы (ГИПФ) 7. Выходы ЭФ 4 и КФ 6 соединены посредством третьей (L3) 8 и четвертой (L4) 9 линий передач с первым и вторым входами балансного сумматора (БС) 10 соответственно. Выход БС 10 соединен с входом аттенюатора (Атт) 11, выход которого подключен к входу детектора (Дет) 12. При этом выход детектора 12 соединен с осциллографом (О) 13.
Измерение времени переключения фазы СВЧ-сигнала с помощью данной схемы осуществляется следующим образом.
С ГНС 1 непрерывный СВЧ-сигнал поступает на вход делителя 2, который распределяет его в две линии передачи L1 3 и L2 5 с одинаковым набегом фаз, посредством которых сигналы с первого и второго выходов делителя 2 поступают на входы ЭФ 4 и КФ 6 соответственно. ГИПФ 7 подает импульсы переключения фазы на второй вход КФ 6. ГИПФ 7, таким образом, обеспечивает подачу на плату управления КФ 6 прямоугольных импульсов заданной скважностью, что определяет момент переключения сигнала из одного фазового состояния в другое. С выходов ЭФ 4 и КФ 6 сигналы посредством линий передачи L3 8 и L4 9 поступают на БС 10, где происходит суммирование приходящих сигналов по фазе. БС 10 формирует суммарный сигнал, зависящий от соотношения фаз приходящих сигналов. При синфазных сигналах на выходе БС 10 будет сигнал с максимальным уровнем, а при противофазных сигналах на его выходе будет сигнал с минимальным уровнем. Для корректной работы схемы важно, чтобы выполнялись равенства:
L1
L2
L3
L4
φ=φ и φ=φ,
L1
L2
L3
L4
где φ, φ, φ, φ - фазовые набеги линий передачи L1 3, L2 5, L3 8 и L4 9 соответственно.
С выхода БС 10 сформированный суммарный сигнал через аттенюатор 11 поступает на детектор 12, который формирует огибающую полученного суммарного сигнала, при этом аттенюатор 11 служит для исключения перегрузки детектора 12. Сигнал с детектора 12 поступает на осциллограф 13, на экране которого будет отображен результирующий импульсный сигнал (огибающая суммарного сигнала), длительность фронта и среза в котором даст значения времени переключения фазы - время включения фазового состояния и время выключения фазового состояния соответственно.
п1
п1
На фиг. 3 изображен результирующий импульсный сигнал, отображаемый на экране осциллографа 13, в котором t - время включения фазового состояния, a t - время выключения фазового состояния.
Таким образом, данный способ позволяет измерить значения времени переключения фазового состояния при проведении проверки, например дискретного фазовращателя, в очень малом диапазоне - порядка нескольких десятков наносекунд. Кроме этого, данный способ позволяет оценить влияние каскадов проверяемого фазовращателя на время переключения фазы СВЧ-сигнала.
Промышленная применимость данного способа возможна исходя из того, что данное измерение легко осуществить, используя доступное современное оборудование для проведения проверки фазовращателей.