Аппаратно-программные средства контроля фазовых характеристик

Контроль фазовых характеристик радиоприёмного тракта построен по принципу измерения задержки между опорным и калибровочным сигналом. Каждый элемент измерительного тракта имеет определённую нестабильность. Условно сгруппировать их можно как нестабильность приёмного устройства, кабелей снижения и системы преобразования сигналов.

Система фазовой калибровки состоит из антенной и наземной части. На радиотелескопе, в специальном термостате, установлен генератор пикосекундных импульсов (ГПИ) и модулятор измерителя электрической длины кабеля. Наземная часть состоит из формирователя сигналов и измерителя электрической длины кабеля снижения.

Структурная схема устройства фазовой калибровки

Генератор импульсов пикосекундной длительности

Генератор импульсов пикосекундной длительности формирует сигнал фазовой калибровки, представляющий собой сетку частот с шагом 1 МГц в диапазоне до 10 ГГц или 40 ГГц, в зависимости от модели ГПИ. Измеритель электрической длины кабеля обеспечивает фазовую привязку сетки частот относительно опорной частоты 5 МГц. Сигнал фазовой калибровки замешивается на вход приёмного устройства, через направленный ответвитель сразу после рупора антенны и проходит через весь приемно-регистрирующий тракт.

Фазовые сдвиги принимаемого полезного сигнала, прошедшего через приемно-регистрирующий тракт, имеют такую же величину, что и калибровочная сетка частот. Это позволяет скомпенсировать при корреляционной обработке изменение фазы сигнала, произошедшее в приемно-регистрирующем тракте.

Частоты гетеродинов видеоконверторов системы регистрации РСДБ наблюдений выбраны, так что одна из инжектированных гармоник 1 МГц оказывается на выходе видеоконвертора на частоте 10 кГц. Далее в корреляторе происходит перемножение выходной полосы с двумя сигналами частоты 10 кГц сдвинутыми по фазе на 90 друг относительно друга, выделяются компоненты частоты 10 кГц и измеряются их фаза и амплитуда. Измеренные фазы гармоник фазовой калибровки в полосе регистрируемых частот позволяют получить время задержки сигнала в приемной системе.

Во время записи РСДБ эксперимента сигнал фазовой калибровки можно подавать непрерывно, если установить достаточно низкий его уровень (несколько процентов от шумовой температуры приемной системы), обнаруживаемый лишь при очень узкой полосе фильтрации (~10 Гц). Тогда возможен постоянный контроль задержки сигнала в приемной системе.

Генератор пикосекундных импульсов располагается в непосредственной близости от входа приемного устройства в надзеркальной кабине радиотелескопа, температура в которой может колебаться в пределах нескольких градусов. Это может привести к флуктуациям фазы импульса ГПИ сравнимым с возникающими в калибруемом радиоприемном тракте. По этой причине должны быть приняты меры по термостабилизации ГПИ.

Конструктивно генератор импульсов пикосекундной длительности выполнен в виде сменного модуля, который помещен в корпус термостата. Источник питания выполнен в виде выносного блока. Такое решение позволило устранить наводки преобразования без дополнительного экранирования, что значительно упростило конструкцию.

Внешний вид модуля ГПИ. Верхняя крышка снята

Структурная схема модуля ГПИ на диоде с накоплением заряда представлена на рисунке. Функционально модуль состоит из двух частей — модулятора измерителя электрической длины кабеля (схемы приёма-преобразования сигнала опорной частоты) и формирователя импульса пикосекундной длительности. На вход модуля поступает смешанный сигнал, состоящий из сигнала частоты 5 МГц, сигнала управления и сигналов, используемых для контроля фазовой задержки в кабеле.

Структурная схема модуля ГПИ на ДНЗ

Схема приёма-преобразования сигнала выделяет опорный сигнал 5 МГц, который поступает на усилитель-ограничитель. Усилитель-ограничитель преобразует опорный сигнал в меандр с минимальными фазовыми потерями. Делитель частоты формирует временные ворота частотой 1 МГц. Синхронный коммутатор вырезает из опорной частоты передний фронт полуволны с частотой 1 МГц. Управляющий сигнал, выделенный фильтром сигнала управления, может закрыть ворота и прекратить генерацию импульса пикосекундной длительности без остановки делителя. Такая схема позволяет внести минимальные задержки и устранить скачок фазы при выключении импульса ГПИ, а так же минимизировать флуктуации фазы, вносимые в опорный сигнал.

Усилитель - формирователь увеличивает крутизну переднего фронта и амплитуду сигнала. На ДНЗ поступает импульс длительностью от 1.5 до 3.5 наносекунд. Длительность выходного импульса зависит от параметров диода и смещения постоянного напряжения, которое регулируется потенциометром.

Цепи ДНЗ смонтированы на полосковых линиях. На выходе ДНЗ, в полосковой линии нагруженной на делитель мощности, возбуждается импульс амплитудой около 10 В. Далее от симметричного полоскового аттенюатора - разветвителя импульс поступает на два симметричных выхода. Амплитуда импульса на выходном разъеме порядка 1,4 В.

Генератор импульсов пикосекундной длительности размещён в надзеркальной кабине радиотелескопа, где возможны изменения температуры и влажности воздуха. Наиболее сильно влияет на работу генератора изменение температуры. Устройство термостатирования генератора импульсов пикосекундной длительности предназначено для уменьшения влияния атмосферных факторов.

Основные технические требования, предъявляемые к устройству: минимальные габариты, рабочий диапазон изменения внешних температур от +5°С до +35°С, точность поддержания температуры термостатирования ±0,1°С при изменении внешней температуры на 10°С, время выхода на рабочий режим не более 40 минут. Главное условие при эксплуатации конструкция термостата должна позволять выполнять замену генератора импульсов пикосекундной длительности без демонтажа термостата.

Конструктивно термостат состоит из наружного корпуса, внутреннего корпуса и термоизоляции. Корпус термостата собран из отдельных пластин, что позволяет механически фиксировать корпус модуля генератора импульсов пикосекундной длительности без дополнительных приспособлений.

Блок термостатирования ГПИ. Верхняя крышка и термоизоляция сняты, виден внутренний корпус с обмотками нагревателя.

Аппаратура контроля электрической длины кабеля

Аппаратура контроля электрической длины кабеля состоит из измерителя электрической длины кабеля и измерителя интервалов времени (счетчик-частотомер). На вход измерения электрической длины кабеля поступает сигнал опорной частоты 5 МГц от водородного стандарта. Выход подключён к кабелю снижения соединяющего генератор импульсов пикосекундной длительности, расположенный в надзеркальной кабине антенны и наземную часть измерителя. Часть сигнала опорной частоты через ответвитель поступает на кабель снижения. Другая часть мощности сигнала используется в измерительной схеме. Сигнал, возвращённый по кабелю снижения, сдвинут по фазе на двойную величину приращения задержки в кабеле плюс начальный сдвиг фаз. Устройство преобразования переносит фазовый сдвиг на опорную частоту для формирования опорного канала и дальнейшего измерения. Измерение разности фаз выполняется при помощи фазового компаратора с коэффициентом умножения 100 и измерителя интервалов времени Agilent 53131. Результат измерений передаётся по интерфейсу GPIB по запросу в компьютер управления.

Усилитель 5 МГц построен по принципу трансформаторно-транзисторного усилителя. Такой выбор схемы зависит от того, что источник опорной частоты расположен в непосредственной близости от узла. На выходе усилителя установлен разветвитель сигнала.

Монтаж гибридного трансформатора на отдельной плате позволил устранить наводки на усилитель. Гибрид предназначен для согласования узлов и разделения сигналов. На вход гибрида поступает сигнал опорной частоты и смесь сигналов, возвращённая с кабеля снижения. На выходе выделяется промодулированный сигнал частоты 5 МГц, возвращённый от антенного блока.

Структурная схема наземной части измерителя электрической длинны кабеля

Сумматор предназначен для объединения сигналов 5 МГц, 5 кГц, отключения импульса ГПИ и передачи на кабель снижения. Сумматор построен на пассивных элементах.

Делитель 5МГц/5кГц/500Гц предназначен для формирования фазостабильных сигналов частот 5 кГц и 500 Гц из сигнала опорной частоты 5 МГц. Сигнал опорной частоты поступает от усилителя 5 МГц на вход приёмника с лини совмещённого с триггером Шмита. Делитель построен на шести двоично-десятичных счётчиках.

Делитель 25 Гц предназначен для формирования двух сигналов сдвинутых по фазе на 45 градусов. Делитель вынесен на отдельную плату для уменьшения сетевых наводок 50 Гц и 25 Гц на частоту модуляции 5 кГц. Делитель построен на двоично-десятичном счётчике и двух JK триггерах.

Фазовый детектор предназначен для сравнения фазы сигнала частоты 5 кГц, сформированного из опорного сигнала, с фазой сигнала возвращённой от кабеля снижения и формирования напряжения рассогласования для управления фазовращателем. На вход фазового детектора поступают сигналы опорной частоты 5 кГц ,5 МГц от фазовращателя и выделенная гибридом из смеси частот 5 МГц возвращённые по кабелю снижения. Сигналы частотой 5 МГц поступают на перемножитель, где выделяется сигнал частоты модуляции. На выходе перемножителя установлен транзисторный усилитель и два прецизионных операционных усилителя с коэффициентом усиления К=100 каждый. Фазовый детектор выполнен на квадратурном перемножителе (Linear four-quadrant multiplier) фирмы Motorola, который обеспечивает достаточно высокую линейность и температурную стабильность на рабочей частоте. На выходе установлен интегратор на операционном усилителе.

Синтезатор 4999975Гц формирует сигнал частоты 4999975 Гц из сигналов частот 5 МГц и 25 Гц. Для нормальной работы фазового компаратора необходима частота с подавленным зеркальным каналом. По этой причине применена микросхема смеситель с одной боковой полосой.

Усилитель ограничитель предназначен для уменьшения влияния неравномерности коэффициента передачи фазовращателя. Усилитель собран на двухканальном быстродействующем операционном усилителе с коэффициентом усиления К=200.

Фазовый компаратор построен по принципу симметричного преобразования опорного и измеряемого канала. На два смесителя с подавлением одной боковой полосы поступают сигналы опорной частоты 4999975Гц, два сигнала частоты 5МГц на опорный канал и измеряемый канал соответственно. На выходе установлен активный фильтр верхних частот, выполненный на операционном усилителе, и буферный усилитель.

Конструктивно измеритель электрической длины кабеля состоит из выносного источника питания постоянного тока 24 вольта, основного блока и внешнего измерителя интервалов времени. Основной блок изготовлен из дюраля с отсеками для установки плат узлов. Узлы отелены друг от друга экранирующими перегородками. Верх и низ блока закрыты съёмными крышками. Основной блок разделён на отдельные модули монтируемые на отдельных платах.

Измеритель электрической длины кабеля. Слева без верхней крышки, справа без нижней крышки