RU2594378C1

RU2594378C1 - Method for measuring phase switching time of microwave signal

Info

Publication number: RU2594378C1
Application number: RU2015121647/28A
Authority: RU
Inventors: Эдуард Анатольевич Клевцов; Светлана Николаевна Коноводова; Геннадий Николаевич Новиков
Original assignee: Акционерное общество "Государственный Рязанский приборный завод"
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2015-06-05
Publication date: 2016-08-20

Abstract

FIELD: radar.

SUBSTANCE: invention relates to radar engineering and can be used to measure switching time of phase of super-high frequency (SHF) signal during check of parameters in pulsed mode. Standard and controlled phase changers are used for measurement purposes, wherein the measurement result is displayed on cathode-ray tube display of measuring bench. Pulsed microwave signal is distributed in the first and second transmission lines with the same hitting phases using a divider, by means of which it is supplied to inputs of reference and controlled phase changers. Switching of microwave signal phase is performed by means of controlled phase changer. Signals that are formed at the outputs of both phase changers are transmitted to balance adder by means of third and fourth transmission lines with identical hitting phases; balance adder is used to generate sum signal depending on the ratio of the phases of these signals. Then phase switching time values are determined based on the duration of the edge and wave tail of resulted sum signal envelop displayed on cathode-ray tube.

EFFECT: technical result consists in possibility of direct measurement of phase switching time of microwave signal during testing of phase changers in very small range of its values (several tens of nanoseconds).

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокационной технике и может использоваться для измерения времени переключения фазы сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала при проведении проверки параметров фазовращателей в импульсном режиме.The invention relates to radar technology and can be used to measure the switching time of a phase of a microwave signal when checking the parameters of phase shifters in a pulsed mode.

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).The signal phase in the microwave path is controlled using two- or four-pole devices with variable parameters that change under the influence of an electric or magnetic field. Such devices are called phase shifters and are widely used in phased array antennas (PAR), microwave transmitting and receiving devices, apparatus for physical research and instrumentation for various purposes. The most widely used phase shifters are used in phased array radar stations.

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.Modern headlamps consist of several thousand or even tens of thousands of elements, each of which contains a phase shifter. Therefore, the characteristics and cost of the radar are largely dependent on the parameters and cost of the phase shifters. Currently, mainly ferrite and semiconductor phase shifters are used.

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.The phase shifters intended for use in multi-element headlamps are subject to diverse and stringent requirements, one of which is the minimum time for switching the phase of the microwave signal (phase state change) at the lowest possible power of the control signal. It should also be noted that reducing the loss of microwave power and energy spent on phase switching provides a solution to one of the most difficult problems in the design of transmitting headlamps - heat removal from phase-shifting elements and stabilization of their temperature.

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_п1 и t_п2 - 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_п1 и t_п2 в пределах до единиц микросекунд.The time for switching the phase of a microwave signal in the general case is the time it takes for the signal to transition from one phase state to another. The currently used method of measuring the phase switching time is based on the direct detection of the output signal from the output of the phase shifter and its display on the oscilloscope screen. The waveform corresponding to the phase switching moments is shown in FIG. 1 (diagram 1), where t _p1 and t _p2 are the values of the signal switching time from one phase state to another, for example, the signal phase switching time from 0 ° to 180 ° and the signal switching time to the initial phase state (180 ° -0 °) . This measurement can be carried out at values of t _p1 and t _p2 up to a few microseconds.

При значительно меньших значениях t_п1 и t_п2 (порядка нескольких десятков наносекунд) форма сигнала искажается, как показано на фиг. 1 (диаграмма 2), и провести достоверные измерения не представляется возможным.At significantly lower values of t _p1 and t _p2 (of the order of several tens of nanoseconds), the waveform is distorted, as shown in FIG. 1 (diagram 2), and reliable measurements are not possible.

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.The prior art method for measuring the introduced phase errors of a discrete binary phase shifter [Copyright certificate No. 1741089, IPC G01R 27/28, 1992], based on the supply of a microwave signal to its input, and to the control inputs of control voltages, in which To reduce the measurement time and to achieve the possibility of measurements at a high power level, rectangular voltages are used as control voltages, synchronized along the front or downward, they measure the amplitudes of the spectral components of the output signal The phase error is determined by the eye.

Данный способ позволяет проводить измерения на высоком уровне мощности СВЧ-сигнала за минимальное время, но предназначен только для измерений вносимых фазовых ошибок.This method allows measurements at a high level of power of the microwave signal for a minimum time, but is intended only for measurements of introduced phase errors.

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.As a prototype for the proposed method, a method for monitoring the phase-time characteristics of ferromagnetic phase shifters [RF Patent No. 2193262, IPC Н01Р 1/19, G01R 31/01, 2002], which consists in the fact that the functional dependence is displayed on the electron-beam indicator of the measuring stand, is selected the difference in phase-time characteristics from the duration of the voltage pulse supplied to the control winding of the reference and controlled phase shifters, by which the degree of compliance of the phase-time characteristics is controlled phase shifter reference characteristic and a decision is made on the procedure for setting up a controlled phase shifter or its rejection.

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.The specified method allows you to observe many features of the phase-time characteristics of the phase shifters and evaluate its fine structure, however, it does not provide the ability to measure the switching time of the phase state of the microwave signal in a very small range.

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).The technical result of the claimed invention is aimed at developing a method that allows for direct measurement of the phase switching time of a microwave signal when checking phase shifters in a very small range of its values (of the order of several tens of nanoseconds).

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.The technical result of the proposed method for measuring the phase switching time of a microwave signal is achieved by using a reference and controlled phase shifters for measurement, while the measurement result is displayed on an electron-beam indicator of the measuring stand. The pulsed microwave signal using a divider is distributed in the first and second transmission lines with the same phase shift, through which it is fed to the inputs of the reference and controlled phase shifters. The phase switching of the microwave signal is carried out by means of a controlled phase shifter. The signals generated at the outputs of both phase shifters by means of the third and fourth transmission lines with the same phase advance are fed to a balanced adder, with the help of which a total signal is generated, which depends on the phase ratio of these signals. Then, by the duration of the front and the slice of the envelope of the received total signal displayed on the electron beam indicator, the values of the phase switching time are determined.

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.The essence of the invention lies in the fact that in the method of measuring the phase switching time of the microwave signal in order to measure small values of the phase switching time of the microwave signal when conducting checks, for example discrete phase shifters, use reference and controlled phase shifters. In this case, a high-frequency pulsed microwave signal is distributed using two divider lines into two transmission lines with the same phase shift and fed to a reference and controlled phase shifters, and the phase switching time is determined by the resulting signal, which is displayed on an electron beam indicator (for example, an oscilloscope) measuring stand. The phase switching of the microwave signal is carried out by means of a controlled phase shifter, for which it is supplied with pulses of phase state switching, while the phase of the signal passing through the reference phase shifter does not change. The signals generated at the outputs of both phase shifters, through transmission lines with the same phase advance, are fed to a balanced adder, with the help of which a total (resulting) signal is generated, which depends on the phase ratio of the output signals (out-of-phase or in-phase). After that, by the duration of the front and the slice of the envelope of the received total signal displayed on the electron beam indicator, the values of the phase state switching time are determined.

На фиг. 2 представлена блок-схема, реализующая предлагаемый способ измерения.In FIG. 2 presents a block diagram that implements the proposed measurement method.

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.The circuit contains a continuous microwave signal generator (GNS) 1, the output of which is connected to the input of the divider (D) 2, the first output of which is connected via the first transmission line (L1) 3 to the input of the reference phase shifter (EF) 4, and the second output through the second line transmission (L2) 5 - with the first input of the controlled phase shifter (CF) 6, to the second input of which a phase switching pulse generator (HIPF) is connected 7. The outputs of the EF 4 and KF 6 are connected via the third (L3) 8 and fourth (L4) 9 lines gears with the first and second inputs of the balanced adder (BS) 10 respectively etstvenno. The output of the BS 10 is connected to the input of the attenuator (Att) 11, the output of which is connected to the input of the detector (Det) 12. The output of the detector 12 is connected to the oscilloscope (O) 13.

Измерение времени переключения фазы СВЧ-сигнала с помощью данной схемы осуществляется следующим образом.The measurement of the phase switching time of the microwave signal using this circuit is as follows.

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:With GNS 1, a continuous microwave signal is fed to the input of the divider 2, which distributes it into two transmission lines L1 3 and L2 5 with the same phase shift, through which the signals from the first and second outputs of the divider 2 are fed to the inputs of EF 4 and KF 6, respectively. The GIPF 7 supplies phase switching pulses to the second input of the CF 6. The GIPF 7, thus, supplies rectangular pulses to the KF 6 control board with a given duty cycle, which determines the moment the signal switches from one phase state to another. From the outputs of EF 4 and CF 6, the signals through the transmission lines L3 8 and L4 9 arrive at BS 10, where the summation of the incoming signals in phase. BS 10 generates a total signal depending on the phase ratio of the incoming signals. With in-phase signals at the output of BS 10 there will be a signal with a maximum level, and with antiphase signals at its output there will be a signal with a minimum level. For the circuit to work correctly, it is important that the equalities hold:

φ_L1=φ_L2 и φ_L3=φ_L4,φ _L1 = φ _L2 and φ _L3 = φ _L4 ,

где φ_L1, φ_L2, φ_L3, φ_L4 - фазовые набеги линий передачи L1 3, L2 5, L3 8 и L4 9 соответственно.where φ _L1 , φ _L2 , φ _L3 , φ _L4 are the phase incursions of the transmission lines L1 3, L2 5, L3 8 and L4 9, respectively.

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.From the output of BS 10, the generated total signal through the attenuator 11 is fed to the detector 12, which forms the envelope of the received total signal, while the attenuator 11 serves to eliminate the overload of the detector 12. The signal from the detector 12 is fed to the oscilloscope 13, on the screen of which the resulting pulse signal will be displayed (envelope of the total signal), the duration of the edge and the cutoff in which will give the values of the phase switching time — the on-time of the phase state and the off-time of the phase state, respectively.

На фиг. 3 изображен результирующий импульсный сигнал, отображаемый на экране осциллографа 13, в котором t_п1 - время включения фазового состояния, a t_п1 - время выключения фазового состояния.In FIG. 3 shows the resulting pulsed signal displayed on the screen of the oscilloscope 13, in which t _p1 - time to turn on the phase state, at _p1 - time to turn off the phase state.

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.Thus, this method allows you to measure the values of the phase state switching time during the test, for example, a discrete phase shifter, in a very small range of the order of several tens of nanoseconds. In addition, this method allows you to evaluate the effect of the cascades of the tested phase shifter on the phase switching time of the microwave signal.

Промышленная применимость данного способа возможна исходя из того, что данное измерение легко осуществить, используя доступное современное оборудование для проведения проверки фазовращателей.The industrial applicability of this method is possible based on the fact that this measurement is easy to carry out using available modern equipment for testing phase shifters.

Claims

A method of measuring the phase switching time of a microwave signal, in which a reference and controlled phase shifters are used, the measurement result being displayed on an electron-beam indicator of a measuring stand, characterized in that the pulsed microwave signal is distributed using the divider to the first and second transmission lines with the same phase increment by which it is fed to the inputs of the reference and controlled phase shifters, while using a controlled phase shifter the phase of the microwave signal passing through it, then the signals generated at the outputs of both phase shifters are fed to the balanced adder by means of the third and fourth transmission lines with the same phase increment, with the help of which a total signal is generated, which depends on the phase ratio of these signals, after which, according to the duration of the front and the slice of the envelope of the received total signal displayed on the electron beam indicator determines the phase switching time.