Широкополосный измеритель частоты свч-сигналов с предварительным умножением частоты и одной линией задержки (варианты) - RU2736918C1
Код документа: RU2736918C1
Чертежи
Описание
Известно устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов [1]. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя, набора линий задержки, фазовых детекторов, аналого-цифровых преобразователей, вычислительного устройства и устройства управления.
Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки, минимальное и максимальное время задержки которых для достижения заданной точности и диапазона рабочих частот должны отличаться в несколько раз. Другим недостатком указанного устройства является узкий диапазон рабочих частот, который ограничивается сложностью проектирования и изготовления широкополосной линии задержки с большим временем задержки. Еще одним недостатком указанного устройства является невысокая чувствительность устройства, ограничиваемая погонными потерями в длинных линиях задержки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов [2]. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя-ограничителя, входного полосового СВЧ фильтра, набора линий задержки, преобразователей частоты (умножителей частоты, делителей частоты, умножителей и делителей частоты в зависимости от варианта) фазовых детекторов, вычислительного устройства.
Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы устройства.
Целью изобретения является снижение громоздкости устройства за счет использования одной линии задержки с предварительным преобразованием частоты входного сигнала путем деления и/или умножения и последующим частотным разделением сигналов.
Заявленный результат достигается тем, что в устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого делителя СВЧ мощности на N, N умножителей частоты, входы которых соединены с выходами делителя СВЧ мощности на N, N фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены N-портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами умножителей частоты, синфазный делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом N-портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов синфазного делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на N, выходы второго делителя мощности на N соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых N, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Заявленный результат также достигается тем, что в устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого делителя СВЧ мощности на M, M делителей частоты, входы которых соединены с выходами делителя СВЧ мощности на M, M фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены M-портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами делителей частоты, синфазный делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом M-портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов синфазного делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на M, выходы второго делителя мощности на M соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых M, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Заявленный результат достигается также в устройстве широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого синфазного делителя СВЧ мощности на N+M, N умножителей частоты, входы которых соединены с выходами синфазного делителя мощности на N+M, M делителей частоты, входы которых соединены с выходами синфазного делителя мощности на N+M, N+M фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, в которое дополнительно введены N+M портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами умножителей частоты и делителей частоты, делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом N+M портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на N+M, выходы второго делителя СВЧ мощности на N+M соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых N+M, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фигурах 1,2,3. На фиг.1 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с умножителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 1, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 2, делитель 3 СВЧ мощности на N, умножители частоты 4.1…4.N, N портовый сумматор 5 СВЧ мощности, синфазный делитель 6 СВЧ мощности на два, линию 7 задержки, синфазный двух-портовый сумматор 8 СВЧ мощности, делитель 9 СВЧ мощности на N, полосно-пропускающие фильтры 10.1…10.N, фазовые детекторы 11.1…11.N, вычислительное устройство 12.
На фиг.2 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с делителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 13, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 14, делитель 15 СВЧ мощности на M, делители частоты 16.1…16.M, M портовый сумматор 17 СВЧ мощности, синфазный делитель 18 СВЧ мощности на два, линию 19 задержки, синфазный двух-портовый сумматор 20 СВЧ мощности, делитель 21 СВЧ мощности на M, полосно-пропускающие фильтры 22.1…22.M, фазовые детекторы 23.1…23.M, вычислительное устройство 24.
На фиг.3 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с умножителями и делителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 25, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 26, делитель 27 СВЧ мощности на N+M, умножители частоты 28.1…28N, делители частоты 29.1…29.M, N+M портовый сумматор 30 СВЧ мощности, синфазный делитель 31 СВЧ мощности на два, линию 32 задержки, синфазный двух портовый сумматор 33 СВЧ мощности, делитель 34 СВЧ мощности на N+M, полосно-пропускающие фильтры 35.1…35.N+M, фазовые детекторы 36.1…36. N+M, вычислительное устройство 37.
На фиг.4 представлена дискриминационная характеристика фазовых корреляторов.
Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω0 поступает через усилитель-ограничитель 1 на полосно-пропускающий фильтр 2, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 2 определяется следующим образом fн…1,9-1,95fн, где fн – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на делитель 3 СВЧ мощности на N, где происходит деление мощности входного сигнала на N равных частей. Умножители частоты 4.1…4.N осуществляют функцию умножения частоты и могут быть выполнены на основе диода или транзистора, работающего в нелинейном режиме, или в виде специализированной микросхемы. Коэффициенты умножения умножителей частоты 4.1…4.N выбраны из ряда 1,2,4…A полностью или с пропусками, где А - конечное число, предельный коэффициент умножения, выбираемый из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте умножения частоты одного из умножителей равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал через делитель мощности поступает на вход N портового сумматора 5 непосредственно. Число умножителей 4.1…4.N, полосовых фильтров 10.1…10.N, фазовых детекторов 11.1…11.N определяется рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что коэффициент умножения умножителя частоты 4.1 равен n1, умножителя частоты 4.2 равен n2, умножителя частоты 4.3 равен n3, и так далее до nN, причем nN>…>n3>n2>n1. При этом на выходах умножителей 4.1,4.2,…,4.N частоты получим сигналы с частотами n1ω0, n2ω0, n3ω0,…, nNω0 соответственно. N – портовый сумматор 5 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами n1ω0, n2ω0, n3ω0,…, nNω0.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 6 делит сигналы с частотами n1ω0, n2ω0, n3ω0,…, nNω0 на две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 7 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 7 задержки составят: θ1=n1ω0τ, θ2=n2ω0τ, θ3=n3ω0τ,…, θN=nNω0τ. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами n1ω0, n2ω0, n3ω0,…, nNω0 поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ мощности сигналы поступают на N-портовый делитель 9 СВЧ мощности, где происходит их деление на N равных частей по мощности. Выходы N-портового делителя 9 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 10.1…10.N, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами n1ω0, n2ω0, n3ω0,…, nNω0 соответственно. Полосы пропускания фильтров 10.1…10.3 задаются выражением n1fн…1,9-1,95n1fн, n2fн…1,9-1,95n2fн, n3fн…1,9-1,95n3fн,…,nNfн…1,9-1,95nNfн. Фазовые детекторы 11.1,11.2,11.3,…,11.N на основе задержанного и незадержанного сигнала формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PDn1 – 1, PDn2 – 2, PDn3 - 3):
(1)
(2)
(3)
...
(4)
где An1, An2, An3, AnN – коэффициенты пропорциональности;
n1, n2, n3, nN – коэффициенты умножения частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 11.1, имеет в рабочем диапазоне частот однозначную, но относительно пологую дискриминационную характеристику, по этой причине детектор 11.1 служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 11.2, 11.3,…,11.N имеют неоднозначные функции преобразования, крутизна которых выше по сравнению с крутизной передаточной функции детектора 11.1. Детекторы 11.2…11.N служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 12 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 11.1,…,11.N.
Широкополосный измеритель частоты также может быть реализован с применением делителей частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω0 поступает через усилитель-ограничитель 13 на полосно-пропускающий фильтр 14, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 14 определяется следующим образом fн…1,9-1,95fн, где fн – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на делитель 15 СВЧ мощности на M, где происходит деление мощности входного сигнала на M равных частей. Делители частоты 16.1…16.M осуществляют функцию деления частоты и могут быть выполнены на основе нелинейных элементов или специализированных микросхем делителей частоты. Коэффициенты деления делителей частоты 16.1…16.M выбраны из ряда 1,2,4…B полностью или с пропусками, где B - конечное число, предельный коэффициент деления, выбираемый из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте деления частоты одного из делителей равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал через делитель мощности поступает на вход M портового сумматора 17 СВЧ мощности непосредственно. Число делителей 16.1…16.M частоты, полосовых фильтров 22.1…22.M, фазовых детекторов 23.1…23.M определяется рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что коэффициент деления делителя частоты 16.1 равен m1, делителя частоты 16.2 равен m2, делителя частоты 16.3 равен m3, и так далее до mM, причем mM>…>m2>m1. При этом на выходах делителей 16.1,16.2,…,16.M частоты получим сигналы с частотами ω0/m1, ω0/m2,…, ω0/mM. M – портовый сумматор 17 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 18 делит сигналы с частотами ω0/m1, ω0/m2, ω0/m3на две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 19 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 19 задержки составят: θ1=ω0τ/m1, θ2=ω0τ/m2,…,θM= ω0τ/mM. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ мощности сигналы поступают на M-портовый делитель 21 СВЧ мощности, где происходит их деление на M равных частей по мощности. Выходы M-портового делителя 21 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 22.1…22.M, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM соответственно. Полосы пропускания фильтров 22.1…22.M задаются выражением fн/m1…1,9-1,95fн/m1, fн/m2…1,9-1,95fн/m2,…, fн/mM…1,9-1,95fн/mM. Фазовые детекторы 23.1, 23.2,…, 23.M формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PDm1 – 3, PDm2 – 2, PDm3 - 1):
(5)
(6)
(7)
...
(8)
где Am1, Am2, Am3, AmM – коэффициенты пропорциональности;
m1,m2,m3,mM – коэффициенты деления частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 23.M имеет в рабочем диапазоне частот однозначную, но относительно пологую дискриминационную характеристику, по этой причине детектор 23.M служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 23.1…23.M-1 имеют неоднозначные передаточные функции, крутизна которых выше по сравнению с крутизной передаточной функции детектора 23.M. Детекторы 23.1…23.M-1 служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 24 предназначено для определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 23.1,…,23.M.
Широкополосный измеритель частоты также может быть реализован с применением делителей частоты и умножителей частоты. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω0 поступает через усилитель-ограничитель 25 на полосно-пропускающий фильтр 26, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 26 определяется следующим образом fн…1,9-1,95fн, где fн – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на синфазный делитель 27 СВЧ мощности, где происходит деление мощности входного сигнала на N+M равных частей. Умножители частоты 28.1…28.N осуществляют функцию умножения и могут быть выполнены на основе диода или транзистора, работающего в нелинейном режиме, или в виде специализированной микросхемы. Делители частоты 29.1…29.M осуществляют функцию деления частоты и могут быть выполнены на основе нелинейных элементов или специализированных микросхем. Коэффициенты умножения умножителей частоты 28.1…28.N выбраны из ряда 1,2,4…C полностью или с пропусками, где C - конечное число, предельный коэффициент умножения, выбираемый из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. Коэффициенты деления делителей частоты 29.1…29.M выбраны из ряда 1,2,4…D полностью или с пропусками, где D - конечное число, предельный коэффициент деления, выбираемый из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте умножения частоты одного из умножителей или коэффициенте деления одного из делителей частоты равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал поступает на соответствующий вход N+M портового сумматора 30 СВЧ мощности непосредственно. Число умножителей 28.1…28.N частоты, делителей 29.1…29.M частоты, фазовых детекторов 36.1…36.N+M определяется рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что коэффициент умножения умножителя частоты 28.1 равен n1, умножителя 28.2 частоты равен n2 и так далее до nN, причем nN>…>n3>n2>n1. Коэффициенты деления делителей частоты 29.1…29.M равны m1, m2,… и так далее до mM, причем mM>…>m2>m1.. При этом на выходах умножителей 28.1,…,28.N частоты получим сигналы с частотами n1ω0, n2ω0,…,nNω0 а на выходе делителей 29.1…29.M частоты получим сигнал с частотами ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM.M+N – портовый сумматор 30 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами n1ω0, n2ω0,…,nNω0 и ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 31 делит сигналы с частотами n1ω0, n2ω0,…,nNω0 и ω0/m1, ω0/m2, ω0/m3на две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 32 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 32 задержки составят: θ1=n1ω0τ, θ2=n2ω0τ,…, θN=nNω0τ δ1=ω0τ/m1, δ2=ω0τ/m2,…, δM= ω0τ/mM. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами n1ω0, n2ω0,…,nNω0 и ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ мощности сигналы поступают на N+M-портовый делитель 34 СВЧ мощности, где происходит их деление на N+M равных частей по мощности. Выходы N+M-портового делителя 34 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 35.1…35.N+M, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами n1ω0, n2ω0,…,nNω0 и ω0/m1, ω0/m2,…,ω0/mM соответственно. Полосы пропускания фильтров 35.1…35.N задаются выражениями n1fн…1,9-1,95n1fн, n2fн…1,9-1,95n2fн, n3fн…1,9-1,95n3fн,…,nNfн…1,9-1,95nNfн. Полосы пропускания фильтров 35.N+1…35.M задаются выражениями fн/m1…1,9-1,95fн/m1, fн/m2…1,9-1,95fн/m2,…, fн/mM…1,9-1,95fн/mM. Фазовые детекторы 36.1, 36.2,…, 36.N+M формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PDnN – 3, PDmM - 1):
(9)
...
(10)
(11)
...
(12)
где An1, ..., AnN, Am1, ..., AmM – коэффициенты пропорциональности;
n1,n2, nN – коэффициенты умножения частоты;
m1, m2, mM – коэффициенты деления частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 36.N+M, имеет в рабочем диапазоне частот однозначную (кривая 1), но относительно пологую передаточную функцию, по этой причине детектор 36.N+M служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 36.1…36.N+M-1 имеют неоднозначные передаточные функции (кривые 2 и 3 соответственно), крутизна которых выше по сравнению с крутизной передаточной функции детектора 36.N+M. Детекоры 36.1…36.N+M-1 служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 37 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 36.1…36.N+M.
Из описанных принципов работы следует, что предварительное преобразование частоты входного сигнала (умножение и/или деление) позволяет использовать частотное уплотнение для сокращения числа линий задержки до одной.
Из описанных принципов работы понятно, что число каналов, включающих в себя делитель или умножитель частоты, линию задержки, фазовый детектор, может быть изменено для достижения заданного рабочего диапазона частот и точности измерения частоты.
Список использованных источников
1. Schmidt, R.O. Simultaneous signals IFM receiver using plural delay line correlators. Патент США на изобретение №5440228
2. Аткишкин С.Ф., Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов на линиях задержки с предварительным преобразованием частоты (варианты). Патент РФ на изобретение № RU 2710896 C1
Реферат
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения частоты непрерывных СВЧ-сигналов в широком диапазоне частот. Сущность заявленного решения заключается в том, что широкополосный измеритель частоты СВЧ-сигналов выполнен в нескольких вариантах. В первом случае это устройство, состоящее из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ-фильтра, первого делителя СВЧ-мощности на N, N умножителей частоты, входы которых соединены с выходами делителя мощности на N, N фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, отличающееся тем, что в него дополнительно введены N-портовый сумматор СВЧ-мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами умножителей частоты, синфазный делитель СВЧ-мощности на два, вход которого соединен с выходом N-портового сумматора СВЧ-мощности, при этом один из выходов синфазного делителя СВЧ-мощности на два соединен с первым входом синфазного двухпортового сумматора СВЧ-мощности, а второй выход - с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом синфазного двухпортового сумматора СВЧ-мощности, выход синфазного двухпортового сумматора СВЧ-мощности соединен с входом второго делителя СВЧ-мощности на N, выходы второго делителя СВЧ-мощности на N соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых N, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых корреляторов. Техническим результатом при реализации заявленной группы решений является снижение громоздкости устройства за счет использования одной линии задержки с предварительным преобразованием частоты входного сигнала путем деления и/или умножения и последующим частотным разделением сигналов. 3 н.п. ф-лы, 4 ил.
