7.2. Гетеродинные измерители ослабления. Измерительный приемник

Метод отношения мощностей, реализованный непосредственно или в схеме замещения (сравнения), имеет ряд ограничений: 1) требуется мера x_д, отградуированная для любой частоты, при которой производится измерение; 2) измерители мощности и напряжения, обязанные работать в широкой полосе частот, естественно, имеют меньшую чувствительность (большие шумы, помехи), чем избирательные системы, работающие в узкой полосе частот. Для преодоления этих не­достатков применяют гетеродинные измерители ослабления. В основу ра­боты гетеродинных измерителей ослабления положено свойство смесителя сохранять значение отношения амплитуд сигнала при переносе их на разностную частоту. Поскольку отношение двух амплитуд сигналов час­тоты f₀ сохраняется в сигнале разностной (промежуточной) частоты f₀ – f_г, где f_г - частота гетеродина, то появляются две возможности улучшения аппаратуры: 1) применение эталонного аттенюатора, работающего только при промежуточной частоте; 2) применение узкополосных избирательных усилителей промежуточной частоты и за счет этого существенное увеличение чувствительности, разрешающей способности и диапазона измеряемых величин A_x. В основу аппаратурной реализации гетеродинных измерителей ослабления положен измерительный гетеродинный приемник. Рассмотрим более подробно его схему и работу.

Измерительные приемники используются как самостоятельные измерительные приборы, предназначенные для селективного измерения мощности слабых синусоидальных и шумовых сигналов, а также как измерители мощности в гетеродинных измерителях ослабления. Все измерительные приемники строятся по принципу приемников супергетеродинного типа (рис.7.4). Измеряемый сигнал подается на вход приемника, проходит последовательно через входной аттенюатор, фильтр нижних частот и поступает на первый смеситель СМ, куда подводится также сигнал первого гетеродина и калибровочного генератора. Входной калиброванный аттенюатор в пределах 0...50 дБ изменяет амплитуду сигнала таким образом, чтобы смеситель работал в режиме с меньшим изменением амплитуды сигнала, чем диапазон изменений входного измеряемого сигнала. Фильтр нижних частот обеспечивает необходимое ослабление побочных каналов приема и гармоник сигнала. В качестве калиброванного генератора используется либо газоразрядный или диодный генератор шума (ГШ), либо генератор видеоимпульсов с известной амплитудой, длительностью и частотой, для которого можно расчетом определить мощность в заданной полосе частот. Отметим, что мощность, выдаваемая калибровочным генератором, является мерой x_д при измерениях мощности при помощи приемника. Входной аттенюатор, если он откалиброван, является одной из мер x_д при измерениях отношения амплитуд сигнала, то есть ослабления.

С

игнал, поступивший на СМ1, с помощью гетеродина преобразуется в сигнал первой промежуточной частоты, например, 100 МГц. На этой частоте сигнал усиливается первым усилителем промежуточной частоты, а затем преобразуется во вторую промежуточную частоту, например, 30 МГц, при мощности смесителя СМ2 и гетеродина Гет2. С помощью УПЧ2 происходит основное усиление сигнала промежуточной частоты. В цепи усилителя УПЧ2 включен эталонный аттенюатор ЭА, который является основной встроенной мерой действительного значения ослабления (отношения мощностей сигналов)x_д при измерениях ослабления.

С выхода УПЧ2 сигнал поступает на одно из устройств, преобра­зующих сигнал к виду, удобному для визуализации и регистрации: ли­нейный детектор, квадратичный детектор, фазовый детектор, осциллог­раф, самописец и т.п.

Для увеличения чувствительности измерительных приемников при измерении мощности непрерывных сигналов применяется модуляционный метод. Для реализации этого метода на вход УПЧ1 посредством модулятора, выдающего напряжение u_м типа меандр с частотой 1 кГц, подключается попеременно либо сигнал смесителя CМ1 с напряжением u_с, либо сигнал вспомогательного генератора шума с напряжением u_гш =u₀ (рис. 7.5). Уровень сигнала вспомогательного генератора шума u_гш устанавливается таким, чтобы при отсутствии входного сигнала напряжение u_д на выходе равня­лось нулю. При этом напряжение продетектированных радиоимпульсов с частотой модуляции 1 кГц с выхода детектора усиливается усилителем низкой частоты, настроенным на частоту модуляции 1 кГц, а далее детектируется синхронным детектором и через усилитель постоянного тока поступает на выход.

П

одводя итог, выделим наиболее существенные основы работы измерительного приемника.

1. Измерительный приемник работает по схеме прямого преобразования мощности СВЧ сигнала в напряжение переменного тока низкой частоты (1 кГц) или постоянное напряжение.

2. Сигнал высокой частоты два или три раза преобразуется так, что соотношение амплитуд входных сигналов переносится в область напряжений постоянного тока или тока НЧ.

3. Для измерения мощности в измерительный приемник включаются в качестве x_д калиброванные меры мощности в виде генератора шума с известной выходной мощностью или генератора напряжения с широким спектром, например, в виде видеоимпульсов известной амплитуды частотой 40 кГц и длительностью 0,3 нс. Спектр и мощность такого сигнала поддается расчету по параметрам импульсной последовательности.

4. Для измерения отношения амплитуд сигналов, то есть ослабле­ния, в состав измерительного приемника включают один или несколько эталонных аттенюаторов, работающих как на частоте входного сигнала (широкополосных), так и на промежуточной частоте.

5. При измерении сигналов с интенсивностью, изменяющейся в широком диапазоне (более 50...60 дБ), применяют схемы с двойным преобразованием частоты для того, чтобы уменьшить влияние шумов и помех на результат измерения.

Рассмотрим применение измерительного приемника для измерений ослабления. Наибольшее распространение получила схема измерителя ослабления с параллельным замещением на промежуточной частоте (рис. 7.6) Представленная на этом рисунке схема за исключением генератора сигналов Г1 и измеряемого устройства представляет упрощенную схему измерительного приемника, обладающего вторым (опорным) каналом, образованным аттенюатором и генератором промежуточной частоты, подключенными ко входу усилителя промежуточной частоты. Схема работает следующим образом. Сигнал от генератора основного (рабочего) канала, настроенного на рабочую частоту исследуемого четырехполюсника, преобразуется при помощи делителя и гетеродина в промежуточную частоту (например, 30 МГц) так, что при линейном преобразовании сигнала в смесителе амплитудные соотношения сигналов в первом канале при наличии исследуемого четырехполюсника и без него переносятся на промежуточную частоту. Сигналы генераторов рабочего канала и опорного канала модулируются с частотой 1 кГц в противофазе (см. диаграммы на рис. 7.6). Радиоимпульсы, поступающие на вход усилителя промежуточной частоты, усиливаются, детектируются и поступают на вход фазового детектора, на второй вход которого поступает синхронный сигнал от модулятора. Если амплитуды сигналов рабочего и опорного каналов не равны друг другу, то на выходе фазового детектора появляется напряжение , гдеU_m, U₀ - амплитуды сигналов рабочего и опорного каналов, φ - фазовый сдвиг между ними. Так как в качестве опорного используется напряжение, модулирующее один из ге­нераторов, то угол φ может принимать значения φ = 0 или φ = ±180°. Поэтому постоянное напряжение на выходе фазового детектора может иметь знак либо "+", либо "–". При равенстве амплитуд радиоим­пульсов на входе усилителя промежуточной частоты стрелочный индика­тор (И) фазового детектора покажет нуль.

П

роцедура измерения ослабления такая же, как и в схеме без преобразования частоты: делают отсчет по шкале эталонного аттенюатора в моменты равенства нулю сигнала на выходе фазового детектора в двух положениях - без исследуемого четырехполюсника и при включенном исследуемом устройстве в рабочем канале. Разность двух отсчетов ослабления по эталонному аттенюатору дает x_изм.

Основное достоинство метода параллельного сравнения с преобразованием частоты заключается в возможности измерения ослабления в широком диапазоне высоких и сверхвысоких частот с помощью одного эталонного аттенюатора, работающего на промежуточной частоте. Основные источники и составляющие погрешностей ­нестабильность частоты и мощности всех трех генераторов - генератора рабочей частоты, гетеродина и генератора промежуточной частоты; погрешность рассогласования; погрешность образцового аттенюатора, являющегося мерой x_д; разрешающая способность нуль - индикатора; зависимость коэффициента преобразования смесителя от уровня мощности входного сигнала и сигнала гетеродина (нелинейность смесителя).