Сверхвысокочастотное приемное устройство

 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в устройствах средств связи, а также в сложных радиотехнических устройствах с широким диапазоном рабочих частот. Предложено устройство, содержащее первый смеситель (С)(1), первый фильтр (Ф) СВЧ (2) , второй (С) (3), соединенные последовательно, а также базовый блок (ББ) (10), первый и второй гетеродины (11)(12), подключенные к входам третьего (С) (13), выход которого соединен с входом делителя мощности (ДМ) (14), второй (Ф) СВЧ (18), подключенный к гетеродинному входу первого (С)(1), третий (Ф) СВЧ (22), подключенный к гетеродинному входу второго (С)(3), отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные четвертый (Ф) СВЧ (15), первый усилитель (16) и первый умножитель частоты (УЧ) на n (17), включенные между первым выходом (ДМ) (14) и входом второго (Ф) СВЧ (18), последовательно соединенные пятый (Ф) СВЧ (19), второй усилитель (20) и второй (УМ) на n (21), включенные между вторым выходом (ДМ) (14) и входом третьего (Ф) СВЧ (22), а между выходом второго (С) (3) и входом (ББ) (10) введены первый коммутатор (К) СВЧ (4), второй (К) СВЧ (5), причем первый выход первого (К) СВЧ (4) соединен с первым входом второго (К) СВЧ (5), и седьмой (Ф) СВЧ (9), включенный между выходом второго (К) СВЧ (5) и входом (ББ) (10), при этом между вторым выходом первого (К) СВЧ (4) и вторым входом второго (К) СВЧ (5) последовательно включены шестой (Ф) СВЧ (6) и четвертый (С) (7), к гетеродинному входу которого подключен третий гетеродин (8). Технический результат - улучшение спектральной плотности мощности фазовых шумов частот гетеродинов, уменьшение значения частот гетеродинов, изменяющихся в уменьшенном диапазоне частот при сверхшироком диапазоне частот входных сигналов и увеличение динамического диапазона приемного устройства. 1 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в устройствах средств связи, а также в сложных радиотехнических устройствах с широким диапазоном рабочих частот.

Известно приемное устройство (патент США N 4580289 H 04 B 1/26), содержащее генератор, вырабатывающий несколько сигналов, частоты которых связаны целочисленным соотношением. Входной сигнал смешивается в смесителе с одним из выходных сигналов генератора для формирования сигнала промежуточной частоты. С выходом смесителя соединен перестраиваемый фильтр, на частотный вход которого подается второй выходной сигнал генератора для регулировки центральной частоты полосы перестраиваемого фильтра. Фильтр пропускает выходной сигнал смесителя, имеющий промежуточную частоту, и ослабляет нежелательные частоты в выходном сигнале. Центральная частота полосы пропускания фильтра зависит только от частоты генератора и устанавливается равной заданной промежуточной частоте.

Недостатком описанного устройства при его использовании в диапазоне СВЧ является высокие частоты гетеродинов (более 18 ГГц), что существенно затрудняет реализацию рассматриваемого устройства, а также ухудшает частотную стабильность и фазовые шумы выходных сигналов. Кроме того, недостатком рассматриваемого устройства является широкий диапазон перестройки гетеродина, низкая избирательность по побочным каналам приема.

Известно также сверхвысокочастотное приемопередающее устройство и его варианты RU 2133078 H 04 B 1/38 от 26.07.96, приемный блок которого, выбранный в качестве прототипа, обладает уменьшенными значениями частот гетеродинов, изменяющихся в уменьшенном диапазоне частот при широком динамическом диапазоне входных сигналов и сверхширокой полосе входных сигналов.

Рассматриваемый приемный блок содержит последовательно соединенные первый смеситель, первый фильтр СВЧ, второй смеситель и базовый блок, первый и второй гетеродины, подключенные ко входам третьего смесителя, выход которого соединен со входом делителя мощности второй фильтр СВЧ, включенный между первым выходом делителя мощности и гетеродинным входом первого смесителя, третий фильтр СВЧ, включенный между вторым выходом делителя мощности и гетеродинным входом второго смесителя.

Недостатком описанного приемного устройства при использовании его в диапазоне СВЧ является высокая частота первого гетеродина и широкий диапазон перестройки второго гетеродина и как следствие их низкие фазовые шумы, что затрудняет прием цифровых линий связи, а также низкий динамический диапазон.

Поясним это на примере 1. Для приема сигналов, частоты которых изменяются в диапазоне 6,5...18 ГГц, при настройке первого гетеродина на частоту 90 ГГц, частота второго гетеродина должна изменяться в диапазоне 5,5...10,5 ГГц (полоса перестройки 5 ГГц), а для приема сигналов в диапазоне 1...18 ГГц полоса перестройки второго гетеродина будет около 9 ГГц, что существенно затрудняет реализацию обоих гетеродинов с уровнем спектральной плотности мощности фазовых шумов меньше минус 90 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц.

2. Мощность сигналов разностных частот (например, 79.0...84,8 ГГц) и суммарных частот (например 95,5...100,5 ГГц), образованных на выходе третьего смесителя, не является достаточной для использования их в качестве частот гетеродинов первого и второго смесителей, так как они являются продуктом преобразования и будут на 10...15 дБ меньше, "чем мощность первого и второго гетеродинов, а получение их мощности порядка 100 мВт в миллиметровом диапазоне для того, чтобы на выходе третьего смесителя суммарная и разностные частоты имели мощность около 5...10 мВт, проблематично.

В результате при малой мощности разностной и суммарной частот, используемых в качестве гетеродинов, динамический диапазон первого, второго смесителя и приемного устройства в целом уменьшится на 10...15 дБ.

Задачей данного изобретения является создание сверхвысокочастотного приемного устройства с улучшенными фазовыми шумами частот гетеродинов, с уменьшенными значениями частот гетеродинов, изменяющихся в уменьшенном диапазоне частот при сверхшироком диапазоне частот входных сигналов и увеличенным динамическим диапазоном.

Поставленная задача решается в сверхвысокочастотном приемном устройстве, содержащем последовательно соединенные первый смеситель, первый фильтр СВЧ, второй смеситель и базовый блок, первый и второй гетеродины, подключенные ко входам третьего смесителя, выход которого соединен со входом делителя мощности, второй фильтр СВЧ, подключенный к гетеродинному входу первого смесителя третий фильтр СВЧ, подключенный к гетеродинному входу второго смесителя, в которое согласно изобретению введены последовательно соединенные четвертый фильтр СВЧ, первый усилитель и первый умножитель частоты на n, включенные между первым выходом делителя мощности и входом второго фильтра СВЧ, последовательно соединенные пятый фильтр СВЧ, второй усилитель и второй умножитель частоты на n, включенные между вторым выходом делителя мощности и входом третьего фильтра СВЧ, а между выходом второго смесителя и входом базового блока введены первый коммутатор СВЧ, второй коммутатор СВЧ, причем первый выход первого коммутатора СВЧ соединен с первым входом второго коммутатора СВЧ, и седьмой фильтр СВЧ, включенный между выходом второго коммутатора СВЧ и входом базового блока, при этом между вторым выходом первого коммутатора СВЧ и вторым входом второго коммутатора СВЧ последовательно включены шестой фильтр СВЧ и четвертый смеситель, к гетеродинному входу которого подключен третий гетеродин.

Дополнительное введение в сверхвысокочастотное приемное устройство вышеуказанных блоков позволяет в n раз уменьшить частоту гетеродина, а в случае перестраиваемого гетеродина при заданной ширине полосы рабочих частот приемного устройства уменьшает в n раз диапазон его перестройки и увеличивает мощность гетеродинных сигналов, поступающих в первый и второй смесители, что позволяет расширить динамический диапазон приемного устройства, улучшить фазовые шумы гетеродинов.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена структурная структурная электрическая схема сверхвысокочастотного приемного устройства.

Сверхвысокочастотное приемное устройство содержит последовательно соединенные первый смеситель 1, первый фильтр СВЧ 2, второй смеситель 3, первый коммутатор СВЧ 4, первый выход которого соединен с первым входом второго коммутатора СВЧ 5, а между вторым выходом первого коммутатора СВЧ 4 и вторым входом второго коммутатора СВЧ 5 последовательно включены шестой фильтр СВЧ 6, четвертый смеситель 7, к гетеродинному входу которого подключен третий гетеродин 8, седьмой фильтр СВЧ 9, включенный между выходом второго коммутатора СВЧ 5 и входом базового блока 10, первый гетеродин 11 и второй гетеродин 12, подключенные ко входам третьего смесителя 13, выход которого соединен со входом делителя мощности 14, между первым выходом делителя мощности 14 и гетеродинным входом первого смесителя 1 последовательно соединены четвертый фильтр СВЧ 15, первый усилитель 16, первый умножитель частоты на n 17, второй фильтр СВЧ 18, а между вторым выходом делителя мощности 14 и гетеродинным входом смесителя 3 последовательно включены пятый фильтр СВЧ 19, второй усилитель 20, второй умножитель частоты на n 21 и третий фильтр СВЧ 22.

Устройство работает следующим образом.

Входной диапазон частот разбит на два поддиапазона - первый и второй. Входные сигналы первого и второго поддиапазонов поступают на вход смесителя 1, в котором преобразуются вверх по оси частот, в первую промежуточную частоту (ПЧ), фильтруются фильтром СВЧ 2, после чего смесителем 3 преобразуются, первый поддиапазон во вторую ПЧ, второй поддиапазон в третью ПЧ и через коммутатор СВЧ 4 поступают на вход фильтра СВЧ 6, где происходит выделение второй ПЧ, далее на смесителе 7 с использованием гетеродина 8, сигнал второй ПЧ преобразуется в третью ПЧ, которая поступает на второй вход коммутатора СВЧ 5, с выхода которого через фильтр СВЧ 9 третьей ПЧ поступает в базовый блок 10. Сигналы третьей ПЧ, образованные на смесителе 3, для второго входного поддиапазона, через первый выход коммутатора СВЧ 4 поступают на первый вход коммутатора СВЧ 5 и с его выхода через фильтр СВЧ 9 третьей ПЧ поступают на вход базового блока 10.

Частоты гетеродинных сигналов гетеродинов 11, 12 поступают на входы смесителя 13, с выхода которого суммарная и разностная частоты поступают на вход делителя мощности 14. Выделение суммарной (разностной) частоты с первого выхода делителя мощности происходит на фильтре СВЧ 15, далее сигнал усиливается в усилителе 16, умножается на n, в умножителе частоты 17, фильтруется фильтром СВЧ 18 и используется в качестве гетеродинного сигнала для смесителя 1. Выделение разностной (суммарной) частоты со второго выхода делителя мощности 14 происходит на фильтре СВЧ 19, далее сигнал усиливается в усилителе 20, умножается на n в умножителе частоты 21, фильтруется фильтром 22 и используется в качестве гетеродинного сигнала для смесителя 3. Режимы работы смесителей 1 и 3 определяются мощностями, частотой суммарной (разностной) и разностной (суммарной) частотами, а их величины выбираются такими, чтобы обеспечить эффективную фильтрацию комбинационных составляющих и гармоник низких порядков при уменьшенном в 2·n раз диапазоне перестройки гетеродина 12. При этом увеличивается динамический диапазон и полоса входных частот сверхвысокочастотного приемного устройства. Величина умножения частоты n в умножителях частоты 17,21 выбирается из условия допустимого ухудшения спектральной плотности мощности фазовых шумов частоты гетеродина после умножения из выражения 20 lg n в, дБ (В.Манасевич. Синтезаторы частоты, теория и проектирование. М. Связь 1979 г.).

Например, если гетеродин 11, настроенный на частоту 12 ГГц, имеет фазовые шумы минус 108...110 дБ/Гц при отстройке от несущей на 10 кГц, то при умножении на n = 8 на частоте 96 ГГц, он будет иметь фазовые шумы минус 90.. . 92 дБ/Гц. Такой уровень фазовых шумов гетеродина достаточен для приема сигналов цифровых линий связи. Уровень фазовых шумов хуже чем минус 90 дБ/Гц (например. минус 80...85 дБ/Гц) ухудшает качество приема цифровых линий связи.

Для примера рассмотрим сверхвысокочастотное приемное устройство, принимающее сигналы в диапазоне частот 0,5...18 ГГц, в котором используется базовый блок 10, работающей на третьей промежуточной частоте 1,5...2,0 ГГц. Весь диапазон входных частот, которые поступают на вход приемного устройства, условно разбит на два поддиапазона. Первый поддиапазон 0,5...9,0 ГГц и второй поддиапазон 9,0...18,0 ГГц. Для приема сигналов во втором поддиапазоне 9. . . 18 ГГц, при частоте гетеродина 11, настроенного на 12 ГГц (что эквивалентно при n= 8 настройке на 96 ГГц), частота перестраиваемого гетеродина 12 будет изменяться в диапазоне частот 0,67...1,23 ГГц (что эквивалентно при n= 8 5,36. ..9,84 ГГц). При этом суммарная частота на выходе смесителя 13 будет изменяться в диапазоне 12,67...13,23 ГГц, а частота гетеродина для смесителя 1 после усиления и умножения на n=8 будет изменяться в диапазоне 101,36...105,84 ГГц. Тогда выходной сигнал диапазона 9...18 ГГц в зависимости от частоты перестраиваемого гетеродина 12 преобразуется в первую ПЧ на смесителе 1 в полосу частот 87,84...92,36 ГГц. Разностная частота на выходе смесителя 13 будет изменяться в диапазоне 10,77...11,33 ГГц, а частота гетеродина для смесителя 3 после усиления и умножения на n=8 будет изменяться в диапазоне 86,16...90,64 ГГц.

В этом случае для приема сигналов во втором поддиапазоне, например в участке спектра частот 10,0...10,5 ГГц, частота настройки перестраиваемого гетеродина 12 должна быть равна 0,75 ГГц, тогда частота гетеродинного сигнала для смесителя 1 будет 102 ГГц, который преобразует принимаемый сигнал в диапазон первой ПЧ 91,5...92,0 ГГц. Частота гетеродинного сигнала для смесителя 3 будет 90 ГГц, тогда диапазон частот 91,5...92,0 ГГц он преобразует в третью промежуточную частоту 1,5...2,0 ГГц, которая поступает на базовый блок 10 через коммутаторы СВЧ 4, 5 и фильтр СВЧ 9. Настроив частоту гетеродина 12 на 0,78125 ГГц, обрабатывается диапазон входных сигналов 10,5... 11,0 ГГц и т.д. Для приема сигналов в первом поддиапазоне 0,5...9,0 ГГц, при частоте гетеродина 11, настроенного на 12 ГГц, частота перестраиваемого гетеродина 12 будет изменяться в диапазоне частот 0,67...1,2 ГГц. При этом после преобразования частоты на смесителе 13, усиления и умножения на n=8 частота гетеродина для смесителя 1 будет изменяться в диапазоне 101,36...105,6 ГГц, а для смесителя 3 в диапазоне 86,4...90,64 ГГц, тогда диапазон первой ПЧ после смесителя 1 будет 96,6...100,86 ГГц. Например, для приема сигналов в участке диапазона 0,5...1,0 ГГц частота настройки перестраиваемого гетеродина 12 должна быть 0,6875 ГГц, тогда после преобразования частоты на смесителе 13, усиления и умножения n = 8 частота гетеродинного сигнала для смесителя 1 будет 101,5 ГГц, который преобразует принимаемые сигналы в диапазон первой ПЧ 100,5...101 ГГц и далее с помощью смесителя 3, частота гетеродинного сигнала которого после преобразования частоты на смесителе 13, усиления и умножения на n=8 равна 90,5 ГГц, преобразуется в диапазон второй ПЧ 10,0. . .10,5 ГГц. Настроив частоту гетеродина 12 на 0,71875 ГГц обрабатывается диапазон частот 1,0...1,5 ГГц и т.д. Диапазон второй ПЧ 10,0...10,5 ГГц после коммутатора СВЧ 4 выделяется на фильтре СВЧ 6 и с помощью смесителя 7 и гетеродина 8, который настроен на частоту 8,5 ГГц, преобразуется в третью ПЧ 1,5. ..2,0 ГГц, которая через коммутатор СВЧ 5 и фильтр СВЧ 9 третьей ПЧ поступает в базовый блок 10. При этом за счет фильтрации фильтром СВЧ 2, имеющего полосу прозрачности в высокочастотной части диапазона СВЧ и за счет фильтрации узкополосными фильтрами СВЧ 6, 9 основной селекции, в базовый блок не будут попадать частоты комбинационных составляющих и гармоник низких порядков. За счет увеличения мощности гетеродинов для смесителей 1 и 3 увеличен динамический диапазон приемного устройства на 10...15 дБ. Используя один и тот же перестраиваемый гетеродин 12 для двух поддиапазонов частот и умножители частоты, получено уменьшение диапазона его перестройки в 2·n раз (16 раз). Это дало возможность получить лучшую спектральную плотность фазовых шумов гетеродинных сигналов для смесителей 1 и 3, что позволяет принимать сигналы цифровых линий связи.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотное приемное устройство, содержащее первый смеситель, первый фильтр СВЧ, второй смеситель, соединенные последовательно, а также базовый блок, первый и второй гетеродины, подключенные к входам третьего смесителя, выход которого соединен с входом делителя мощности, второй фильтр СВЧ, подключенный к гетеродинному входу первого смесителя, третий фильтр СВЧ, подключенный к гетеродинному входу второго смесителя, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные четвертый фильтр СВЧ, первый усилитель и первый умножитель частоты на n, включенные между первым выходом делителя мощности и входом второго фильтра СВЧ, последовательно соединенные пятый фильтр СВЧ, второй усилитель и второй умножитель частоты на п, включенные между вторым выходом делителя мощности и входом третьего фильтра СВЧ, а между выходом второго смесителя и входом базового блока введены первый и второй коммутаторы СВЧ, причем первый выход первого коммутатора СВЧ соединен с первым входом второго коммутатора СВЧ, и седьмой фильтр СВЧ, включенный между выходом второго коммутатора СВЧ и входом базового блока, при этом между вторым выходом первого коммутатора СВЧ и вторым входом второго коммутатора СВЧ последовательно включены шестой фильтр СВЧ и четвертый смеситель, к гетеродинному входу которого подключен третий гетеродин.

РИСУНКИ

Рисунок 1