УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ФЛУКТУАЦИЙ НАБЕГА ФАЗЫ И УГЛОВ ПРИХОДА МИКРОВОЛН
DEVICE FOR MEASURING THE FLUCTUATION OF PHASE INCURSION AND ARRIVAL ANGLES IN MICROWAVES

Изобретение относится к области техники электрических измерений и может быть использовано при изучении распространения микроволн на открытых атмосферных трассах.
Известны способы измерения флуктуации амплитуды радиоволн (см., например, кн. Справочник по основам радиолокационной техники / Под ред. В.В. Дружинина. - М.: Воениздат, 1967). Однако измерение флуктуаций набега фазы представляют особый интерес при изучении распространения микроволн в атмосферных каналах связи.
Наиболее близким по технической сущности и принципу действия к предполагаемому изобретению является способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода радиоволн (патент Украины № 58814 А опубл. в бюл. № 8 от 15.08.2003 G01R 29/08).
1
2
3
3
1
2
По этому способу определения углов прихода микроволн в двух независимых каналах генерируют непрерывные микроволновые колебания с двумя различными, мало отличающимися друг от друга частотами f и f. Через две антенны эти микроволновые колебания излучают в направлении ретранслятора. При этом, в месте расположения антенн первичного излучения, генерируют отдельные опорные колебания с низкой частотой F. Эти низкочастотные колебания подают на модулятор радиопередатчика и через антенну радиопередатчика модулированный радиосигнал излучают в направлении ретранслятора на радиочастоте f. В ретрансляторе, через антенну радиоприемника модулированный радиосигнал с частотой f принимают и демодулируют, получая тем самым местные опорные низкочастотные колебания с частотой F. В микроволновые колебания с частотами f и f, принятые антенной ретранслятора, вводят монотонно нарастающий фазовый сдвиг. В ретрансляторе период изменения фазы микроволновых колебаний синхронизируют опорными низкочастотными колебаниями с частотой F. Трансформированные по частоте микроволновые колебания с частотами  и  переизлучают в направлении первичного излучения, где оба этих колебания вторично принимают, подают на смеситель вместе с исходными микроволновыми колебаниями и в соответствующих каналах выделяют комбинационные низкочастотные составляющие с одинаковыми частотами  и . После чего измеряют разности фаз, между местными опорными низкочастотными колебаниями с частотой F и комбинационными низкочастотными колебаниями с этой же частотой F, в этих каналах в отдельности, оценивая тем самым флуктуации набега фазы в обоих каналах измерителя. Дополнительно вычисляют при этом угол прихода микроволн.
Однако приведенный способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн не позволяет достичь высокой точности измерения. Это связанно с тем, что опорный канал синхронизации является открытым радиоканалом, поэтому изменения его комплексного коэффициента передачи приводят к флуктуациям амплитуды и полной фазы передаваемого радиосигнала. Появление этих флуктуаций вызвано двумя главными причинами: аддитивными шумами в опорном канале связи и многолучевым распространением радиоволн. Амплитудные и фазовые шумы в опорном канале связи приводят к значительным флуктуациям начальной фазы передаваемого опорного низкочастотного сигнала. После демодуляции принятого радиосигнала, выделенным низкочастотным опорным сигналом, синхронизируют непосредственно период управляющего сигнала фазовращателя. Даже наличие высокодобротных фильтров на выходе радиоприёмника не позволяет подавить фазовые шумы в низкочастотном опорном сигнале, так как их спектр сосредоточен в области частоты опорного сигнала. В результате, в ретрансляторе при сдвиге частоты микроволнового измерительного сигнала, в него также вносятся флуктуации начальной фазы, обусловленные фазовыми шумами низкочастотного опорного сигнала. Эти флуктуации начальной фазы низкочастотного опорного сигнала не могут быть скомпенсированы в прототипе, при измерении набега фазы микроволнового сигнала, что отрицательно влияет на точность измерений. Кроме того, приведенный способ измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн непригоден для исследования достаточно протяжённых измерительных трасс, так как используют пассивный ретранслятор для переизлучения исследуемого микроволнового сигнала, при этом мощность первично излучаемых микроволновых сигналов ограничена развязкой используемых Y-циркуляторов. Таким образом, в рассмотренном прототипе сильно ограничена длина измерительной трассы, что обусловлено ослаблением микроволнового сигнала в измерительном канале связи. Так как измерение углов прихода микроволн производится в предположении параллельности пришедших лучей, то считается, что источник микроволнового сигнала бесконечно удалён. При малых длинах измерительной трассы нарушается условие параллельности принимаемых лучей и следовательно возрастает систематическая погрешность измерения углов прихода микроволн.
1
2
В основу изобретения поставлена задача увеличения точности измерения флуктуаций набега фаз при исследовании распространения микроволн от одной точки измерительной трассы к другой. Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство составляют из двух генераторов микроволновых колебаний, трёх микроволновых Y-циркуляторов, двух микроволновых антенн первичного излучения и вторичного приема, двух микроволновых смесителей, двух фазометров, высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора, двух делителей частоты, каждый из которых формирует сигналы с отличающимися низкими частотами F и F, радиопередатчика, радиопередающей антенны, микроволновой антенны первичного приема и вторичного излучения, микроволнового усилителя, управляемого микроволнового фазовращателя, радиоприёмной антенны, радиоприемника, частотно-фазового детектора, фильтра нижних частот, высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением; причём выход первого генератора микроволновых колебаний соединен с первым выводом первого микроволнового Y-циркулятора, второй вывод которого соединен с первой микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора соединен с входом первого микроволнового смесителя, выход которого соединен с одним из входов первого фазометра, а другой вход первого фазометра соединен с первым выходом первого делителя частоты, вход которого соединён с выходом высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора, причём выход второго генератора микроволновых колебаний соединен с первым выводом второго микроволнового Y-циркулятора, второй вывод которого соединен со второй микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора соединен с входом второго микроволнового смесителя, выход которого соединен с первым входом второго фазометра, а второй вход второго фазометра соединен с первым выходом первого делителя частоты, при этом второй выход первого делителя частоты соединен с модуляционным входом радиопередатчика, выход которого соединён с радиопередающей антенной, и при этом микроволновая антенна первичного приема и вторичного излучения соединена с первым выводом третьего микроволнового Y-циркулятора, второй вывод которого соединён со входом микроволнового усилителя, выход которого соединён с сигнальным входом управляемого микроволнового фазовращателя, причём выход управляемого микроволнового фазовращателя соединён с третьим выводом третьего микроволнового Y-циркулятора, при этом управляющий вход управляемого микроволнового фазовращателя соединён с первым выходом второго делителя частоты, при этом радиоприёмная антенна соединена со входом радиоприёмника, выход которого соединён с первым входом частотно-фазового детектора, причём выход частотно-фазового детектора соединён с входом фильтра нижних частот, выход которого соединён с управляющим входом высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением, выход которого соединён с входом второго делителя частоты, причём второй выход второго делителя частоты соединён со вторым входом частотно-фазового детектора.
1
2
Сравнение предлагаемого устройства с уже известными устройствами и прототипом показывает, что заявляемое устройство выявляет новые технические свойства, которые заключаются в достижении фазовой синхронизации опорных генераторов на обоих концах измерительной трассы и повышении помехозащищённости опорного сигнала, что позволяет повысить точность измерений набега фазы микроволн; также в усилении исследуемого микроволнового сигнала в ретрансляторе, что позволяет увеличить длину атмосферной измерительной трассы, тем самым повысить точность измерения углов прихода микроволн, а также в достижении оптимизации частотных свойств радиоканала, за счёт выбора отличающихся частот F и F опорного и синхронизирующего сигналов.
Эти свойства предполагаемого изобретения является новыми, так как в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся в подверженности помехам опорного низкочастотного сигнала, отсутствии усиления исследуемого микроволнового сигнала, равенстве частот и жёсткой связи опорного и синхронизирующего сигналов - возможно измерение набега фаз исследуемых микроволновых сигналов и углов прихода микроволн с низкой точностью.
Указанное устройство измерения флуктуаций набега фазы и определения углов прихода микроволн можно реализовать по схеме, приведенной на рисунке.
Устройство для измерения флуктуаций набега фазы и определения углов прихода микроволн состоит из двух симметричных измерительных каналов и одного опорного канала, которые содержат: генераторы микроволновых колебаний 1 и 2, микроволновые Y-циркуляторы 3, 4 и 15, микроволновые антенны первичного излучения и вторичного приема 5 и 6, микроволновые смесители 7 и 8, фазометры 9 и 10, высокочастотный высоко добротный кварцевый опорный генератор 11, делители частоты 12 и 22 каждый из которых формирует сигналы с низкими, отличающимися друг от друга частотами Fi и F2, радиопередатчик 13, радиопередающую антенну 23, микроволновую антенну первичного приема и вторичного излучения 14, микроволновый усилитель 16, управляемый микроволновый фазовращатель 17, радиоприёмную антенну 24, радиоприемник 18, частотно-фазовый детектор 19, фильтр нижних частот 20 и высокочастотный высоко добротный кварцевый опорный генератор управляемый напряжением 21.
В одном измерительном канале выход первого микроволнового генератора 1 соединен с первым выводом первого микроволнового Y-циркулятора 3, второй вывод которого соединен с первой микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 5, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора 3 соединен с входом первого микроволнового смесителя 7, выход которого соединен с одним из входов первого фазометра 9, а другой вход фазометра 9 соединен с первым выходом делителя частоты 12, на вход которого подаётся сигнал с высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора 11. В другом измерительном канале выход второго генератора микроволновых колебаний 2 соединен с первым выводом второго микроволнового Y-циркулятора 4, второй вывод которого соединен с второй микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 6, а третий вывод микроволнового Y-циркулятора 4 соединен с входом второго смесителя 8, выход которого соединен с первым входом второго фазометра 10, при этом второй вход фазометра 10 соединен с первым выходом делителя частоты 12, при этом микроволновая антенна первичного приема и вторичного излучения 14 соединена с первым выводом микроволнового Y-циркулятора 15, второй вывод которого соединён с входом микроволнового усилителя 16, выход которого соединён с сигнальным входом микроволнового управляемого фазовращателя 17, причём выход микроволнового управляемого фазовращателя 17 соединён с третьим выводом микроволнового Y-циркулятора 15. В опорном канале второй выход делителя частоты 12 соединен с модуляционным входом радиопередатчика 13, выход которого соединён с радиопередающей антенной 23 и посредством радиоканала через радиоприёмную антенну 24 соединён с радиоприемником 18, причём выход радиоприемника 18 соединён с первым входом частотно-фазового детектора 19, выход с которого соединён с фильтром нижних частот 20, который соединён с входом высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 21, а его выход соединён с входом делителя частоты 22, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого микроволнового фазовращателя 17, при этом второй выход делителя частоты 22 соединён с вторым входом частотно-фазового детектора 19.
1
2
1
2
1
2
В опорном канале ретранслятора, переизлучающего микроволновый измерительный сигнал, создана специальная цепь обратной связи, которая автоматически отслеживает и подстраивает начальную фазу сигнала управления микроволновым фазовращателем 17, которая состоит из: частотно-фазового детектора 19, фильтра нижних частот 20, высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 21 и делителя частоты 22. В предлагаемом устройстве опорные колебания в ретрансляторе генерирует высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор управляемый напряжением, охваченный кольцом фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), выходной сигнал которого делят по частоте, для получения низкочастотных колебаний с частотами F и F. Частоты F и F могут отличаться в десятки раз, так как F может находится в пределах от 100 Гц до 100 кГц, а частота F ограничена полосой пропускания стандартного узкополосного радиоканала и не может превышать 4 кГц.
2
2
1
В качестве источника опорных колебаний используют высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор, так как низкочастотные кварцевые генераторы обладают малой стабильностью начальной фазы и практически не обладают возможностью подстройки частоты. Высокочастотный высокодобротный кварцевый опорный генератор 11 формирует сигнал, частоту которого делят до низкой частотны F, для получения опорного сигнала. Затем опорный сигнал подают на модулятор радиопередатчика 13 и излучают в направлении ретранслятора, где его принимают и демодулируют. В ретрансляторе с выхода радиоприёмника 18 низкочастотный сигнал с частотой Fподают на вход системы фазовой автоподстройки частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 21, для достижения синхронизации опорных генераторов в обеих точках измерительной трассы. Такое построение измерительной системы позволяет значительно снизить влияние шумов в опорном канале связи на синхронизацию высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 21 и формирование управляющего сигнала низкой частоты F в ретрансляторе, что в свою очередь приводит к увеличению точности измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн по сравнению с прототипом.
Поскольку опорный канал является открытым радиоканалом, то изменения его электрофизических параметров приводят к флуктуациям амплитуды и полной фазы синхронизирующего низкочастотного сигнала. Появление этих флуктуаций вызвано следующими причинами: нестабильностью комплексного коэффициента передачи сигнала в радиоканале, многолучевым распространением (в результате переотражения радиоволн от подстилающей поверхности и рассеяния на атмосферных неоднородностях) и рефракцией высокочастотных колебаний. Нестабильность ослабления в радиоканале приводит к появлению паразитной амплитудной модуляции передаваемого радиосигнала. Этой паразитной модуляцией можно пренебречь в случае использования угловой модуляции для передачи синхронизирующего сигнала. Однако нестабильность электрической длины открытого канала связи и многолучевое распространение радиоволн, которые являются стохастическими процессами, приводят к флуктуациям полной фазы передаваемого радиосигнала.
2
1
2
2
Радиопередатчик 13 формирует частотно-модулированный (4M) радиосигнал, промодулированный гармоническим низкочастотным сигналом с частотой F. В качестве опорных генераторов на передающей и приёмной стороне используются высокочастотные высоко добротные кварцевые опорные генераторы 11 и 21. Для получения низкочастотных опорных сигналов с частотами F и F выходные сигналы генераторов делятся по частоте при помощи делителей 12 и 22. Затем 4M-радиосигнал излучают при помощи антенны 23 и принимают антенной 24. Принятый радиосигнал поступает в радиоприёмник 18, который его усиливает и детектирует. Продетектированный низкочастотный сигнал с выхода радиоприёмника 18 используют как опорный сигнал в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). В блоке ФАПЧ принятый низкочастотный сигнал ограничивают по амплитуде и подают на частотно-фазовый детектор 19, на второй вход которого подают низкочастотный сигнал с частотой Fсо второго выхода делителя частоты 22.
Работает устройство измерения флуктуаций набега фазы и определения углов прихода микроволн, следующим образом. В первом измерительном канале генератор микроволновых колебаний формирует колебания вида
01
2
1
с начальной амплитудой сигнала U, частотой f и начальной фазой φ. С выхода генератора 1 микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 3 поступают в микроволновую антенну первичного излучения 5, которая излучает микроволновые колебания в направлении микроволновой антенны первичного приема 14. Параллельно во втором измерительном канале генератор микроволновых колебаний формирует колебания вида
02
2
2
2
1
2
1
2
1
1
с начальной амплитудой U, частотой f и начальной фазой φ. С выхода генератора 2 микроволновые колебания через микроволновый Y-циркулятор 4 поступают в микроволновую антенну первичного излучения 6. При этом также, в направлении микроволновой антенны первичного приема 14 излучают микроволновые колебания u(t). Частоты исходных микроволновых колебаний f и f выбирают мало отличающимися друг от друга, то есть . Микроволновая антенна первичного приема 14 эти микроволновые колебания принимает и далее микроволновые колебания с частотами f и f подают в микроволновый Y-циркулятор 15, а через него на микроволновый усилитель 16. Усиленные микроволновые колебания подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя 17. Управляемый микроволновый фазовращатель 17 реализует монотонное изменение фазы микроволновых колебаний. При этом, если за период Т низкочастотного управляющего сигнала F, поступающего с первого выхода делителя частоты 22, управляемый микроволновый фазовращатель 17 вносит сдвиг фаз изменяющийся от 0 до 2π, то можно говорить о смещении спектра обоих микроволновых колебаний на частоту равную
таким образом, микроволновые колебания трансформируют по частоте.
Управляющим сигналом для фазовращателя 17 служат сигналы с делителя частоты 22, на вход которого поступает сигнал с высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением 21, синхронизируемый с высокочастотным высокодобротным кварцевым опорным генератором 11, посредством радиоканала.
Выражение для низкочастотного синхронизирующего сигнала на втором выходе делителя частоты 12 имеет следующий вид:
c
c
0
где U - амплитуда синхронизирующего сигнала; ψ(t) - полна фаза синхронизирующего сигнала;  - круговая частота низкочастотного синхронизирующего сигнала; φ - начальная фаза низкочастотного синхронизирующего сигнала.
Частотно-модулированный радиосигнал a(t), передаваемый в опорном радиоканале, может быть описан следующим выражением:
3
3
где Α - амплитуда радиосигнала; ψ(t) - полная фаза радиосигнала; f - частота несущей радиосигнала;  - девиация частоты радиосигнала; m - индекс модуляции радиосигнала; φ - начальная фаза несущего колебания радиосигнала.
1
Модулированный радиосигнал, принятый ретранслятором, может быть записан в следующем виде как функция от времени a(t):
1
где Α - амплитуда радиосигнала прошедшего через атмосферный канал связи; φ(t) - фазовый сдвиг, вносимый каналом связи в радиосигнал.
Амплитуду радиосигнала прошедшего через атмосферный канал связи можно принять постоянной, так как используется сигнал с угловой модуляцией. Обычно, в качестве демодулятора, в радиоприёмнике 18, используют частотный детектор; тогда выражение для низкочастотного сигнала, на его выходе имеет следующий вид:
ПР
где U - амплитуда низкочастотного сигнала на выходе радиоприёмника 18; ζ(t) - фазовые шумы принятого низкочастотного сигнала, обусловленные воздействием аддитивных и фазовых шумов на радиосигнал.
Сигнал на выходе частотно-фазового детектора 19 можно представить в виде:
где Кд - коэффициент преобразования детектора;  - начальная фаза опорных колебаний на выходе генератора управляемого напряжением 21.
ПР
Сигнал с выхода частотно-фазового детектора подают на фильтр нижних частот 20, который отфильтровывает шумы в управляющем сигнале, обусловленные фазовыми шумами принятого низкочастотного сигнала u(t). Таким образом, управляющий сигнал на входе генератора управляемого напряжением 21 имеет следующий вид:
у
где U - размах управляющего сигнала.
Выражения для низкочастотного синхронизирующего сигнала, на втором выходе делителя частоты 22 в ретрансляторе, может быть представлено в следующем виде:
c
где U - амплитуда низкочастотного синхронизирующего сигнала.
2
В ретрансляторе полученный с выхода радиоприёмника низкочастотный сигнал подают на вход системы фазовой автоподстройки частоты высокочастотного высокодобротного кварцевого опорного генератора управляемого напряжением, для достижения синхронизации опорных генераторов в измерителе. При этом, в спектре опорного сигнала отсутствуют шумы, которые были в принятом низкочастотном сигнале, а система ФАПЧ отслеживает изменения начальной фазы принятого синхронизирующего сигнала с частотой F. Таким образом, при достаточном отношении сигнал-шум в радиоканале, начальные фазы  сигналов опорных генераторов 11 и 21 приблизительно равны. Следовательно, введение генератора управляемого напряжением 21, охваченного кольцом фазовой автоподстройки частоты, позволяет снизить влияние аддитивных и фазовых шумов в опорном радиоканале на низкочастотный опорный сигнал в ретрансляторе.
Трансформированные по частоте микроволновые колебания, поступающие на антенну вторичного излучения 14 имеют вид
1
2
1
2
где  - амплитуды микроволновых колебаний в первом и втором измерительном канале, с учетом затухания на трассе распространения микроволн; х, х - расстояния между антеннами 5 - 14 и 6 - 14 соответственно; k,k - волновые числа для переданных микроволновых колебаний, вычисляемые по следующим формулам:
С учётом того, что частоты переизлучаемых ретранслятором микроволновых сигналов изменяются незначительно, принятые микроволновыми антеннами вторичного приёма 5 и 6 микроволновые сигналы, вторично прошедшие через микроволновый канал и микроволновые Y-циркуляторы 3 и 4 могут быть представлены в следующем виде:
где  - амплитуды микроволновых сигналов на выходах микроволновых Y-циркуляторов 3 и 4 соответственно;  - волновые числа
Таким образом, низкочастотные исследуемые сигналы на входах фазометров 9 и 10, после гомодинного преобразования в микроволновых смесителях 7 и 8 будут иметь вид:
где  и  - амплитуды низкочастотных исследуемых сигналов. При условии синхронизации опорных генераторов, начальные фазы опорных колебаний на первом выходе делителя частоты 12 и на управляющем входе управляемого микроволнового фазовращателя 17 приблизительно равны . В этом случае выражения для разности фаз низкочастотных колебаний на выходах фазометров 9 и 10 можно записать в виде:
ОП1
где ;  - полные фазы низкочастотных исследуемых сигналов  на выходах микроволновых смесителей 7 и 8 соответственно; ψ(t) - полная фаза низкочастотного опорного сигнала на первом выходе делителя частоты 12.
Таким образом, на выходе фазометра 9 получают сигнал, пропорциональный расстоянию и обратно пропорциональный длине волны в среде распространения микроволн между микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 5 и микроволновой антенной первичного приема и вторичного излучения 14. На выходе фазометра 10 получают сигнал, пропорциональный расстоянию и обратно пропорциональный длине волны в среде распространения микроволн между микроволновой антенной первичного излучения и вторичного приема 6 и микроволновой антенной первичного приема и вторичного излучения 14. Зная две разности фаз , на выходе фазометров 9 и 10, а также расстояние между микроволновыми антеннами, то есть базу интерферометра, определяют угол прихода микроволновых колебаний.
1
2
Народнохозяйственный эффект от использования предлагаемого изобретения связан с созданием системы обладающей повышенной точностью измерения набега фазы и углов прихода микроволн при исследовании их распространения по атмосферным каналам связи. Преимущество данного измерителя, по сравнению с прототипом, заключается в достижении фазовой синхронизации опорных генераторов на обоих концах измерительной трассы и повышении помехозащищённости опорного сигнала, что позволяет повысить точность измерений. Дополнительное преимущество данного измерителя заключается в том, что ретранслятор усиливает переизлучаемый измерительный сигнал, что позволяет увеличить длину измерительной трассы. Увеличение длины измерительной трассы позволяет повысить точность измерения углов прихода микроволн, так как вычисление углов прихода микроволн производят в предположении, что волна падающая на интерферометр имеет плоский фронт (лучи от ретранслятора до обоих микроволновых антенн вторичного приёма параллельны). Для повышения точности работы интерферометра стремятся увеличить его базу, но расстояние до ретранслятора должно всё время оставаться много большим, чем база интерферометра. Следовательно, увеличивая длину измерительной трассы и базу интерферометра, повышают точность измерения флуктуаций набега фазы и углов прихода микроволн за счёт снижения относительных погрешностей измерения разностей фаз исследуемых микроволновых сигналов. Возможность независимого выбора частот F опорного и F синхронизирующего сигналов даёт разработчику свободу при выборе частотного сдвига, вносимого микроволновым управляемым фазовращателем в микроволновые измерительные сигналы.