ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СИГНАЛА, ОТРАЖЕННОГО ОТ ВХОДА СВЧ АНТЕННЫ

Заявляемое на полезную модель устройство относится к области радиоизмерительной техники и может использоваться для контроля параметров антенны, для измерения модуля и фазы коэффициента отражения и коэффициента стоячей волны в радиочастотном тракте, а также во многих других случаях, когда необходимо обеспечить высокий уровень развязки между измерительными и сигнальными цепями в условиях наводок из-за сильных электрических и магнитных полей, например, при измерениях уровня отраженного сигнала в радио голографических методах контроля вибраций лопаток колес паровых, газовых или водяных турбин на электростанциях.
Известны оптоэлектронные устройства для измерения параметров сигнала, отраженного от входа СВЧ элемента. Такое устройство предложено, например, в авторском свидетельстве СССР №1737361, Кл. G 01 R 26/06. Это устройство содержит измерительную линию, образованную тремя оптоэлектронными датчиками, измеряя на выходе которых с помощью фотоприемников интенсивность света можно определить параметры коэффициента отражения сигнала от входа СВЧ элемента. Однако это устройство имеет тот недостаток, что из-за близкого расположения оптоэлектронных датчиков и исследуемого СВЧ элемента у него велик уровень наводок на измерительные блоки устройства.
От этого недостатка в значительной мере свободно устройство для измерения параметров сигнала, отраженного от входа СВЧ элемента, предложенное в авторском свидетельстве СССР №1223164, Кл. G 01 R 25/02, которое является наиболее близким по конструкции к заявляемому.
Это устройство-прототип содержит три оптоэлектронных фазовых детектора с оптическим и радиочастотным входами. На оптические входы фазовых детекторов подается световой пучок от лазера модулированный по поляризации сигналом опорного канала, а на радиочастотные входы - сигналом из измерительного канала, прошедшим через контролируемое устройство. В результате обработки сигналов на выходов фазовых детекторов получают электрические сигналы пропорциональные модулю и фазе коэффициента передачи исследуемого четырехполюсного СВЧ устройства. Однако это устройство имеет тот недостаток, что его можно использовать только для измерения характеристик четырехполюсных элементов, работающих на проход, и оно не позволяет измерять модуль и фазу коэффициента отражения однопортовых СВЧ устройств - антенн, эталонных комплексных нагрузок и т.п. Наличие ферритовых вентилей в измерительном и опорном каналах приводит к повышенной чувствительности устройства-прототипа к наводкам за счет внешних магнитных полей.
Таким образом задачей, решаемой в заявляемой полезной модели является обеспечение возможности измерения характеристик однопортовых СВЧ элементов, например антенн, увеличение развязки измерительных цепей от внешних электромагнитных полей, повышение чувствительности.
Поставленная цель достигается за счет того, что как и известное устройство, заявляемое устройство содержит три идентичных фазовых детектора с оптическим и радиочастотными входами, в виде каскадно соединенных электрооптического модулятора с модулирующим входом, фотоприемника и фильтра нижних частот, так что оптический вход электрооптического модулятора является оптическим входом фазового детектора, а модулирующий вход является радиочастотным входом, СВЧ генератор, соединенный с первым делителем мощности, первый выход которого через ферритовый вентиль подключен к модулирующему входу
источника когерентного света, оптически связанного через первый оптический фазовращатель с оптическим расщепителем светового пучка на три луча, первый выход которого оптически связан с первым фазовым детектором, второй выход оптически связан со вторым фазовым детектором через второй оптический фазовращатель, а третий выход упомянутого расщепителя оптически связан с третьим фазовым детектором через полуволновую фазосдвигающую пластинку, второй делитель мощности, к выходам которого подключены радиочастотные входы всех трех фазовых детекторов, первый сумматор электрических сигналов, входы которого подключены к выходам первого и третьего фазовых детекторов, а выход к инвертирующим входам второго и третьего сумматоров и индикатору модуля коэффициента отражения, при этом второй вход второго сумматора соединен с выходом второго фазового детектора, а второй вход третьего сумматора соединен с выходом третьего фазового детектора, делитель электрических сигналов, входы которого соединены с выходами второго и третьего сумматоров, а выход подключен к индикатору фазы коэффициента отражения. Но, в отличие от известного, в заявляемое устройство введен трехдецибельной квадратурный направленный ответвитель, к одной развязанной паре входов которого подключены второй выход первого сумматора и исследуемый СВЧ элемент, например антенна, а ко второй паре входов подключены балластный резистор и вход второго делителя мощности.
Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что заявляемое устройство в отличие от известного может измерять модуль и фазу коэффициента отражения двухполюсных СВЧ элементов, имеет меньшую чувствительность в внешним магнитным полям за счет отсутствия второго ферритового развязывающего вентиля.
На фиг.1 показана структурная схема оптоэлектронного устройства контроля сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны.
Заявляемое устройство содержит СВЧ генератор 1, первый делитель мощности радиосигнала на два выхода 2, четырехплечее 3-ДБ квадратурное мостовое устройство (направленный ответвитель) 3, исследуемую антенну или другой однопортовый СВЧ элемент 4, балластный резистор 5, второй делитель мощности радиосигнала на три выхода 6, ферритовый вентиль 7, источник когеррентного света с модулирующим входом 8, первый оптический фазовращатель 9, делитель (расщепитель) светового пучка на три пучка равной интенсивности 10, полуволновую пластинку 11, три оптоэлектронных фазовых детектора 12, 16 и 18, второй оптический фазовращатель 17, первый 19, второй 20 и третий 21 сумматоры электрического сигнала, делитель электрических сигналов 22, индикатор фазы 23 и индикатор модуля коэффициента отражения сигнала от входа исследуемой антенны 24.
СВЧ генератор 1, подключен ко входу первого делителя мощности 2, где делится на два синфазных сигнала, образуя измерительный и опорный каналы. Один из этих сигналов подан в измерительный канал на вход направленного ответвителя 3, второй же сигнал подан в канал опорных колебаний на вход ферритового вентиля 7.
В измерительном канале к входу квадратурного 3-ДБ мостового устройства 3, развязанному с входом, к которому подключен первый делитель мощности 2, подключен второй делитель мощности 6, а ко второй паре выходов мостового устройства 3 подключены исследуемая антенна 4 и балластный резистор 5.
В опорном канале развязывающий ферритовый вентиль 7 подключен к модулирующему входу источника когерентного света (лазера) 8. Источник когерентного света 8 оптически связан через оптический фазовращатель 9, с оптическим делителем (расщепителем) света 10, который, в свою очередь, оптически связан с первым фазовым детектором 12 непосредственно, со вторым фазовым детектором 16 через второй оптический фазовращатель 17,
а с третьим фазовым детектором 18 через полуволновую пластинку 11. Длина второго оптического фазовращателя 17 равна четверти длины радиосигнала.
Каждый из трех идентичных оптоэлектронных фазовых детекторов 12, 16, и 18 имеет оптический и радиочастотный вход. Каждый фазовый детектор состоит из электрооптического модулятора света по интенсивности 13, включающего оптически связанные четвертьволновую пластинку, электрооптический кристалл с электродами, на которые подается модулирующий сигнал из измерительного канала и оптический анализатор поляризации, превращающий модуляцию светового пучка по поляризации в модуляцию по интенсивности; лавинного фотодиода или иного фотоприемника 14, на который поступает световой пучок из электрооптического модулятора 13; фильтра нижних частот 15, выделяющего измерительную информацию. Таким образом, оптический вход электрооптического модулятора представляет собой оптический вход фазового детектора, а его модулирующий вход представляет радиочастотный вход.
Выход первого фазового детектора 12 подключен к первому входу первого сумматора 19 электрических сигналов; выход второго фазового детектора 16 подключен к первому инвертирующему входу второго сумматора 20; выход третьего фазового детектора 18 подключен ко второму входу первого сумматора 19 и первому инвертирующему входу третьего сумматора 21. Выход первого сумматора 19 подключен ко вторым не инвертирующим входам второго 20 и третьего сумматоров 21, а также индикатору модуля отраженного от исследуемой антенны сигнала 24. Выходы второго 20 и третьего сумматоров 21 подключены ко входам делителя электрических сигналов 22, к выходу которого подключен индикатор фазы сигнала отраженного от исследуемой антенны 23.
Электронная часть устройства, включающая сумматоры 19, 20, 21, делитель 22, индикаторы 23 и 24, может быть выполнена как в аналоговом,
так и цифровом виде. В последнем случае предполагается наличие в устройстве на выходе фазовых детекторов 12, 16, и 18 аналого-цифровых преобразователей, преобразующих сигнал в цифровую форму.
Назначение остальных элементов понятно из фиг.1.
Оптоэлектронное устройство контроля сигнала, отраженного от входа СВЧ антенны, работает следующим образом. Сигнал СВЧ генератора 1 поступает на вход первого делителя мощности 2, на выходах которого получается два синфазных сигнала, поступающих в опорный и измерительный каналы. Сигнал с первого выхода делителя 2, поступивший в измерительный канал на вход квадратурного 3-ДБ мостового устройства 3 частью выделяется в балластном резисторе 5, частью поступает в исследуемую антенну 4. Сигнал, отраженный от исследуемой антенны 4 также частично выделяется в балластном резисторе 5, а частью поступает на вход второго делителя мощности 6. При этом первый делитель мощности 2 и второй делитель мощности 6 оказываются электрически развязанными и сигнал из измерительного канала не может поступить в канал опорных колебаний. Отсюда же следует, что сигнал в измерительном канале - на входе второго делителя мощности 6 будет пропорционален только сигналу, отраженному от входа исследуемой антенны 4.
На выходах второго делителя мощности 6 получаются три сигнала одинакового уровня и фазы, которые поступают на модулирующие входы электрооптических модуляторов 13, входящих в состав фазовых детекторов 12, 16 и 18 (радиочастотные входы фазовых детекторов).
Сигнал со второго выхода делителя 2, поступает в канал опорных колебаний. Пройдя через развязывающий ферритовый вентиль 7, этот сигнал поступает на модулирующий вход источника когерентного света (лазера) 8. Модулированный по поляризации световой пучок с лазера 8 проходит через первый оптический фазовращатель 9 и поступает на вход оптического расщепителя 10, с выхода которого выходят три световых пучка равной
интенсивности, модулированных по поляризации. Первый из этих пучков поступает на оптический вход первого фазового детектора 12, второй пучок через второй оптический фазовращатель 17 поступает на вход второго фазового детектора 16, а третий пучок через полуволновую пластинку 11 поступает на оптический вход третьего фазового детектора 18.
При прохождении модулированных по поляризации колебаниями опорного канала световых пучков через электрооптические модуляторы 13, входящие в оптоэлектронные фазовые детекторы 12, 16 и 18, между ортогональными компонентами поляризации света возникает добавочный фазовый сдвиг, но уже пропорциональный амплитуде и фазе СВЧ сигнала из измерительного канала, отраженного от входа исследуемой антенны 4 и поступающего на электроды, нанесенные на электрооптический кристалл модулятора света 13. Оптические анализаторы, установленные в электрооптических модуляторах за электрооптическими кристаллами выделяют одну из линейных поляризаций света и тем самым превращают двойную модуляцию световых пучков по поляризации колебаниями опорного и измерительных каналов в модуляцию этих пучков по интенсивности.
Токи фотоприемников в первом приближении можно считать пропорциональными интенсивности падающих на них световых пучков.
Поскольку интенсивности всех трех пучков, поступающих с оптического расщепителя 10 на входы электрооптических модуляторов 13 одинаковы и одинаковы амплитуды и фазы колебаний, поступающих со второго делителя мощности 6 на управляющие входы модуляторов 13, то величины постоянных составляющих токов всех трех фотоприемников 14, а значит и токов на выходах фильтров нижних частот 15 будут одинаковы. Кроме постоянной составляющей токи на выходах фильтров нижних частот 15 будут включать фазоразностную составляющую, зависящую от амплитуд
опорного сигнала и сигнала отраженного от входа антенны 4, а также разности фаз между этими сигналами.
1
on
1
ан
1
on
aн
Можно показать, что фазоразностная составляющая сигнала на выходе первого фазового детектора 12 пропорциональна J(U)·J(U)·sin(Δφ). Здесь J - функция Бесселя первого порядка, U, U - амплитуды сигнала в опорном канале и сигнала, отраженного от исследуемой антенны 4, Δφ - разность фаз между этими сигналами.
1
on
1
ан
Световой пучок, поступающий на вход третьего фазового детектора 18, проходит через полуволновую пластинку 11, которая опрокидывает фазу модуляции его по поляризации опорными колебаниями на противоположную. Следовательно, фазоразностная составляющая на выходе фильтра нижних частот 15 третьего фазового детектора 18 будет пропорциональна - J(U)·J(U)·sin(Δφ), т.е. будет равна фазоразностной составляющей с выхода первого фазового детектора 12 по модулю, но противоположная ей по знаку.
1
on
1
ан
Световой пучок, поступающий на оптический вход второго фазового детектора 16 за счет второго оптического фазовращателя 17 проходит оптический путь на четверть длины волны радиосигнала больший, чем световые пучки, поступающие на входы первого 12 и третьего 18 фазовых детекторов. В результате фазоразностная составляющая на выходе фильтра нижних частот 15 на выходе второго фазового детектора 16 будет пропорциональна J(U)·J(U)·cos(Δφ).
Сигналы с выходов первого 12 и третьего 18 фазовых детекторов поступают на входы первого сумматора электрических сигналов 19. Поскольку постоянные составляющие токов лавинных фотодиодов 15 в фазовых детекторах 12 и 18 одинаковы по амплитуде и знаку, то они суммируются. Фазоразностные составляющие токов фотоприемников 15 в фазовых детекторах 12 и 18 одинаковы по амплитуде, но противоположны по знаку, поэтому они компенсируются на выходе первого сумматора 19.
Таким образом сигнал на выходе первого сумматора 19 будет пропорционален постоянной составляющей токов фазовых детекторов 12, 16 и 18. Этот сигнал зависит от амплитуды сигнала в измерительном канале, т.е. амплитуды сигнала отраженного от входа исследуемой антенны 4, но не зависит от его фазы. Он поступает на вход индикатора 24, проградуированного в единицах модуля коэффициента отражения, и на вторые входы второго 20 и третьего 21 сумматоров электрических сигналов.
1
on
1
ан
1
on
1
ан
На первые инвертирующие входы второго 20 и третьего 21 сумматоров электрических сигналов поступают сигналы с выходов второго 16 и третьего 18 фазовых детекторов, соответственно. В сумматорах 20 и 21 происходит компенсация постоянной составляющей выходных токов фазовых детекторов 16 и 18 и сигнал на выходе второго сумматора 20 будет пропорционален фазоразностной составляющей с выхода второго фазового детектора 16. т.е. J(U)·J(U)·cos(Δφ), а сигнал на выходе третьего сумматора 21 будет пропорционален фазоразностной составляющей с выхода третьего фазового детектора 16. т.е. J(U)·J(U)·sin(Δφ). Эти сигналы поступают в делитель 22, где происходит их деление друг на друга. В результате сигнал на выходе делителя 22 будет пропорционален tg(Δφ), т.е. тангенсу разности фаз между колебаниями опорного и измерительного каналов и не зависит от амплитуды сигнала в измерительном канале, т.е. модуля коэффициента отражения сигнала от входа исследуемой антенны 4. Этот фазоразностный сигнал поступает на индикатор фазы 23, где он индицируется.
Начальную калибровку предлагаемого устройства можно проводить с помощью первого оптического фазовращателя 9 в режиме калибровки, когда исследуемая антенна замещается эталонными нагрузками с известными параметрами отражения.
Описание работы устройства показывает, что в нем реализована возможность измерения модуля и фазы коэффициента отражения
радиосигнала от входов двухполюсных СВЧ элементов, уменьшена чувствительность к наводкам внешних магнитных полей.