Устройство модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования фазоманипулированных, амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-фазоманипулированных сигналов. Достигаемый технический результат - обеспечение требуемых разных законов изменения амплитуды и фазы проходного сигнала с предельными характеристиками на заданном количестве фиксированных частот при уменьшении массогабаритных характеристик. Устройство содержит источник сигналов, реактивный четырехполюсник, который выполнен в виде двух реактивных двухполюсников, полупроводниковый диод, источник низкочастотного управляющего сигнала, параллельно которому подключена нагрузка, при этом параметры реактивных элементов выбраны из условия обеспечения требуемых отношений модулей и разностей фаз на заданном количестве частот в двух состояниях полупроводникового диода, определяемых двумя крайними уровнями управляющего сигнала. 6 ил.

 

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования фазоманипулированных, амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-фазоманипулированных сигналов.

Известен способ манипуляции (модуляции) параметров отраженного сигнала, состоящий в том, что входное сопротивление устройства манипуляции изменяют таким образом, что коэффициент отражения этого устройства изменяет фазу на π, π/2, π/4, причем для разделения входного и отраженного сигнала используют циркулятор [Радиопередающие устройства. / Под редакцией О.А.Челнокова - М.: Радио и связь, 1982, стр.152-156]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из циркулятора, первый вход которого подключен к источнику сигнала, третий вход подключен к нагрузке, а второй подключен к отрезку разомкнутой линии передачи длиной λ/4, в начале которой включен p-i-n диод.

Если диод закрыт, то от сечения, в котором он включен, происходит отражение, отраженная волна попадает в нагрузку с сопротивлением 500 м. Если диод открыт, то отражение происходит от конца линии. Фаза отраженного сигнала в одном состоянии диода отличается от фазы отраженного сигнала в другом состоянии диода на π. При необходимости изменения разности фаз длина отрезка линии передачи изменяется соответствующим образом.

Недостатком этого способа и устройства его реализации является то, что в двух состояниях диода изменяется только фаза отраженного сигнала, причем заданные значения разности фаз отраженного сигнала в двух состояниях диода обеспечивается только на одной фиксированной частоте. Другим недостатком является постоянство амплитуды отраженного сигнала в двух состояниях диода, то есть отсутствие манипуляции амплитуды, что сужает функциональные возможности. Например, это не позволяет обеспечить два канала радиосвязи на одной несущей частоте [один канал можно образовать с помощью манипуляции амплитуды, а другой - с помощью манипуляции фазы, или не позволяет обеспечить кодировку передаваемой информации]. Третьим недостатком следует считать большие массы и габариты, связанные с необходимостью использования отрезков линии передачи. Четвертым недостатком является то, что устройство манипуляции, состоящее из управляемой и неуправляемой частей, включается между источником сигнала и нагрузкой, которые имеют определенные значения сопротивлений. Источник сигнала имеет чисто действительное сопротивление (второй вход). Нагрузка для отраженного сигнала (третий вход) имеет также действительное сопротивление. Манипулятор подключен к разомкнутой (бесконечное сопротивление) или замкнутой к (нулевое сопротивление) линии передачи. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала.

Известен способ манипуляции фазы отраженного сигнала, основанный на использовании двухимпедансных устройств СВЧ [В.Г.Соколинский, В.Г.Шейнкман. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.146-158]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из определенного количества реактивных элементов типа L, C, параметры которых выбраны из условия обеспечения требуемой произвольной разности фаз коэффициента отражения.

По сравнению с предыдущими способом и устройством данный способ и устройство его реализации не требуют использования полупроводниковых диодов только в открытом и только закрытом состояниях. При любых состояниях диодов, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего воздействия, при определенных значениях параметров типа L, C может быть обеспечена заданное значение разности фаз отраженного сигнала на фиксированной частоте. Если амплитуда управляющего низкочастотного сигнала между указанными двумя уровнями изменяется непрерывно, то обеспечивается модуляция.

Основными недостатками данного способа и устройства его реализации являются отсутствие возможности обеспечения требуемых значений разности фаз и отношения модулей коэффициентов отражения в двух состояниях управляемого элемента на двух и более частотах. Другим недостатком является то что, как и первый способ и устройство манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ [Головков А.А. Устройство для модуляции отраженного сигнала. Авт. св-во №1800579 от 09.10.1992 г.], состоящий в том, что неуправляемую часть (согласующе-фильтрующее устройство) формирует из определенным образом соединенных между собой двухполюсников, сопротивление каждого двухполюсника выбирают из условия обеспечения одинакового заданного двухуровневого закона изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала на двух частотах при изменении управляемого элемента из одного состояния в другое под действием управляющего низкочастотного напряжения или тока.

Известно устройство (прототип) реализации способа [там же], содержащее циркулятор, первое и третье плечи которого являются СВЧ входом и выходом, а во второе плечо включены реактивный четырехполюсник и полупроводниковый диод, подключенный к источнику низкочастотного управляющего воздействия, при этом четерехполюсник выполнен в виде Т-образного соединения двухполюсников со значениями реактивных сопротивлений, которые выбраны из условия обеспечения требуемых одинаковых законов двухуровневого изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала на двух заданных частотах. Так же, как и в предыдущих способе и устройстве реализации, возможна модуляция фазы и амплитуды, если управляющий сигнал изменяется непрерывно. При этом амплитуда и фаза проходного сигнала изменяется по неизвестному закону или совсем не изменяется.

К основным недостаткам данного способа и устройства относятся отсутствие возможности реализации разных заданных законов изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала на двух и более заданных значениях частот, что уменьшает функциональные возможности и объем передаваемой информации. Другим недостатком является то, что, как и в первых двух способах и устройствах, манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают заданные законы манипуляции амплитуды и фазы проходного сигнала.

Способы, свободные от описанных выше недостатков, заявлены авторами данного изобретения и находятся на рассмотрении экспертизы. На рассмотрении экспертизы находятся также заявленные устройства реализации этих способов для случая включения управляемого элемента в продольную цепь между реактивным четырехполюсником и источником модулирующего сигнала. Место включения источника модулирующего сигнала значения не имеет. Однако место включения управляемого элемента имеет большое значение. В общем случае для заданной конкретной нагрузки существует вполне определенное место включенного управляемого элемента, при котором достигаются наибольшие глубина амплитудной модуляции, девиация фазы и широкополосность.

В данной заявке на изобретение авторы показывают возможность достижения предельных характеристик при включении управляемого элемента в поперечную цепь между четырехполюсником и источником модулирующего сигнала.

Техническим результатом изобретения является обеспечение требуемых разных законов изменения амплитуды и фазы проходного сигнала с предельными характеристиками на заданном количестве фиксированных частот при включении манипулятора между произвольными сопротивлениями и включении управляемого элемента в поперечную цепь между четырехполюсником и источником модулирующего сигнала при одновременном уменьшении массогабаритных характеристик.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов, содержащем источник сигналов, к которому подключен реактивный четырехполюсник и полупроводниковый диод, подключенный параллельно к источнику низкочастотного управляющего сигнала, включенному в поперечную цепь, дополнительно четырехполюсник выполнен в виде произвольного соединения двух реактивных двухполюсников, сопротивление источника сигналов выбрано произвольным, параллельно источнику низкочастотного управляющего сигнала включена нагрузка для проходного СВЧ сигнала с произвольными сопротивлениями на заданном количестве частот, двухполюсники выполнены из произвольным образом соединенных между собой реактивных элементов, количество которых выбрано не меньшим количества заданных частот интерполяции требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, а параметры реактивных элементов выбраны из условия обеспечения требуемых отношений модулей и разностей фаз на заданном количестве частот в двух состояниях полупроводникового диода, определяемых двумя крайними уровнями управляющего сигнала.

На фиг.1 показана схема устройства модуляции амплитуды и фазы сигналов, реализующего способ-прототип.

На фиг.2 приведена схема предлагаемого устройства.

На фиг.3 приведена схема первого варианта реализации предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы проходного многочастотного сигнала для случая n=1, 2 (n - количество частот интерполяции).

На фиг.4 изображена схема второго варианта реализации предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы проходного многочастотного сигнала для случая n=1, 2.

На фиг.3 представлена схема третьего варианта реализации предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы проходного многочастотного сигнала для случая n=1, 2, 3.

На фиг. 6 сформирована схема четвертого варианта реализации предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы проходного многочастотного сигнала для случая n=1, 2, 3.

Устройство-прототип содержит циркулятор 1 с входным 2, нагрузочным 3 и выходным 4 плечами, три двухполюсника с реактивными сопротивлениямих x₁, x₂, x₃, соединенных между собой по T-схеме, а также полупроводниковый диод 8, подключенный параллельно к источнику сигнала модуляции 9, двухполюсник 7 подключен к диоду 8, двухполюсник 5 - к нагрузочному плечу 3 циркулятора 1.

Принцип действия устройства манипуляции параметров сигнала, реализующего способ-прототип, состоит в следующем.

Сигнал от задающего генератора (на фиг.1 не показан) через входное плечо 2 циркулятора 1 поступает в нагрузочное плечо 3. В результате взаимодействия пришедшего сигнала с реактивными элементами и диодом и благодаря специальному выбору значений реактивных элементов двухполюсников, значения фаз и амплитуд отраженных сигналов на двух частотах оказывается такими, что в результате их интерференции на выходное плечо 4 циркулятора 1 поступают сигналы, амплитуда и фаза которых в одном состоянии диода 8, определяемом одним крайним значением сигнала модуляции источника 9 отличаются от амплитуды и фазы этих сигналов в другом состоянии диода 8 на одинаковые заданные величины на соответствующих двух частотах. Максимальная девиация фазы может составлять 360°, минимальная - ноль, максимальное отношение амплитуд равно ∞.

Предлагаемое устройство и четыре варианта его реализации (фиг.3-6) содержат источник сигнала 3, два двухполюсника с реактивными сопротивлениями x_1n, x_2n, соединенных между собой по или -схеме, а также полупроводниковый диод 8, включенный в поперечную цепь и подключенный к источнику сигнала модуляции 9. двухполюсник 7 подключен к диоду 8, двухполюсник 6 - к источнику сигнала. К источнику сигнала модуляции (управляющего сигнала) подключена нагрузка 10 для проходного сигнала. Нагрузкой может являеться, например, антенна.

Эти устройства функционирует следующим образом. Благодаря специальному выбору количества реактивных элементов двухполюсников схемы их соединений и значений их параметров при переключении управляющего (модулирующего) сигнала на диоде будет одновременно происходить манипуляция амплитуды и фазы проходного сигнала на заданном количестве частот в общем случае различными законами двухуровневого изменения амплитуды и фазы. При непрерывном изменении амплитуды управляющего сигнала будет реализована модуляция проходного сигнала по амплитуде и фазе в общем случае по произвольным заданным законам.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Пусть на фиксированной частоте известны сопротивления источника сигнала Z₀=r₀+jX₀ и нагрузки Z_H=r_H+jX_H, а также проводимость управляемого элемента в первом и втором состояниях, определяемых двумя уровнями управляющего воздействия Y_1,2=g_1,2+jb_1,2.

Управляемый элемент включен в поперечную цепь между согласующе-фильтрующим устройством (СФУ) и нагрузкой. Требуется определить структуру схемы СФУ, минимальное количество реактивных элементов и значений их параметров, при которых изменение состояний управляемого элемента реализовало бы следующее законы изменения отраженного и проходного сигналов:

где - отношения модулей и разности фаз

коэффициентов передачи , в первом и втором состояниях управляемого элемента.

Пусть СФУ характеризуется матрицей сопротивлений:

и соответствующей классической матрицей передачи [Фельдштейн А.Л., Явин Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, 388 с.]:

где |X|=-Х₁₁Х₂₂-Х - определитель матрицы [Баранов Л.А. Квантование по уровню и временная дискретизация в цифровых системах управления. - М.: Энергоатомиздат. 1990. - 304 с.].

Управляемый элемент в первом и втором состояниях характеризуется следующей матрицей передачи:

Умножим матрицы (3) и (4) и с учетом Z₀, Z_H [Фельдштейн А.Л., Явин Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, 388 с.], найдем нормированную матрицу передачи всего устройства:

Следовательно [Golovkov A.A. The controlled flat-layered medium as a basis for new methods and airborne communication devices development. International Conference on Satellite Communication. - M.: Russian, 1994. Proceedings, v.2, p.42-59.], выражения для коэффициентов передачи будут иметь вид:

Для. получения взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений (2), оптимальных по критерию обеспечения требуемого закона изменения амплитуды и фазы проходного сигнала, подставим (6) в (1). После разделения комплексного уравнения на действительную амплитудную части, получим систему двух уравнений:

где

A₁=g₂X_H+b₂r_H-m₂₁Cosϕ₂₁(g₁X_H+b₁r_H)-m₂₁X_HSinϕ₂₁(1+g₁X_H-b₁r_H);

B₁=1+g₂r_H-b₂X_H-m₂₁Cosϕ₂₁(1+g₁X_H-b₁X_H)+m₂₁Sinϕ₂₁(g₁X_H+b₁r_H).

Решение системы (7) имеет вид:

где

Полученные взаимосвязи (8) дополняют известные взаимосвязи между элементами матриц параметров, вытекающих из условий взаимосвязи, симметрии, антиметрии, уникальности и недиссипативности четырехполюсников [Фельдштейн А.Л., Явин Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, 388 с.] и расширяют возможности их синтеза по критерию обеспечения требуемых значений m₂₁, ϕ₂₁.

Для этого необходимо взять произвольную схему СФУ, содержащую не менее двух элементов с независимыми параметрами, найти ее матрицу сопротивлений и элементы Х₁₁, X₂₁, Х₂₂, выраженные через параметры схемы.

Эти элементы необходимо подставить в (8) и решить сформированную таким образом систему двух уравнений относительно выбранных двух параметров. Остальные параметры могут быть произвольными по величине или определены из других физических соображений, например из условия обеспечения требуемой полосы рабочих частот, в пределах которой величины m₂₁ ϕ₂₁ удовлетворяться заданным интервалам.

Поскольку E+F₁D₁=-r₀ ², то подкоренное выражение (8) положительно при D₁<0. Из этого неравенства следует условие физической реализуемости в виде ограничения:

где

Из условия положительности Q²>0, вытекают ограничения на величину m_1,n ²:

или

где - проводимость нагрузки;

- мера различия суммарной проводимости параллельно включенных управляемого элемента в двух состояниях и нагрузки, которую будем называть качеством.

В соответствии с описанным алгоритмом для n-частоты получены выражения для схем СФУ -образного (фиг.2, 4) и -образного (фиг.3, 5) соединений трех двухполюсников при которых предлагаемые устройства модуляции с заданными значениями m₂₁, ϕ₂₁.

Для -образного соединения:

Для -образного соединения:

Обеспечение положительности подкоренных выражений в (11), (12) являются условиями физической реализуемости соответствующих схем. Структура схем определяется следующим образом. Если в формулах (11)-(12) X_k>0 (k=1, 2), то это индуктивность L_k=X_k/ω, (ω=2пf). Если Х_k<0, то это емкость (k - номер двухполюсника).

Реализация требуемых частотных характеристик в двух состояниях легко может быть осуществлена путем интерполяции на двух, трех и т.д. частотах. Для этого необходимо каждый из двухполюсников, входящих в схему СФУ (фиг.2-5), сформировать из элементов L₁, C₁ таким образом, чтобы он обеспечивал на заданных частотах требуемые значения сопротивлений, рассчитанные по формулам (13)-(14) для этих же частот. При этом коэффициенты D, E, F также рассчитываются для соответствующей частоты, что учитывается ее номером n. Здесь приводятся два решения таких задач. Для двух заданных частот предлагается сформировать двухполюсники из последовательно соединенных между собой параллельного и последовательного колебательных контуров. Сопротивления такого двухполюсника на двух частотах определяется выражениями:

Решение системы двух уравнений (13) определяет параметры L₁, C₁ параллельного контура:

где k=1, 2 - номер двухполюсника; n=1, 2 - номер частоты.

В выражениях (14) параметры L, C могут быть выбраны произвольно, исходя из каких-либо физических соображений, например, из условия обеспечения минимума отклонений заданных характеристик в заданной полосе частот или исходя из условия физической реализуемости схем.

Для трех заданных частот предлагается формировать двухполюсники из последовательно соединенных емкости С₀, параллельного контура L₁, C₁ и реактивного двухполюсника с сопротивлением jx₀. При этом параметры определяются из решения системы трех уравнений:

Решение имеет вид:

где

X_k1=x_k1-X₀(ω₁); X_k2=x_k2-X₀(ω₂); X_k3=x_k3-X₀(ω₃); X_k1, X_k2, X_k3 - реактивные сопротивления последовательно соединенных емкости С₀ и параллельного колебательного контура с параметрами L₁, C₁; x_k1, x_k2, х_k3 - реактивные сопротивления последовательно соединенных емкости С₀, параллельного контура с параметрами L₁, C₁ и двухполюсника с реактивным сопротивлением x₀ на трех заданных частотах, при этом двухполюсник с реактивным сопротивлением x₀ формируется из произвольного количества соединенных любым образом реактивных элементов с произвольными значениями параметров L, С; ω₁, ω₂, ω₃ - заданные С фиксированные частоты.

Реактивное сопротивление jx₀ двухполюсника формируется произвольным образом или исходя из каких либо физических соображений, например, исходя из условия обеспечения минимума отклонений характеристик в полосе частот.

Полученные решения (14) и (16) для двух и трех заданных частот, могут быть использованы как в -образной схеме соединения двух двухполюсников, так и в -образной. Поэтому вариантов реализации предлагаемого устройства в настоящее время многочастотной модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов могут быть всего четыре.

Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство манипуляции параметров многочастотных сигналов на заданном количестве частот, состоящее из определенным образом соединенных определенного количества реактивных элементов L, C с определенными по соответствующим математическим выражениям параметрами.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленные последовательности выполнения устройства (формирование неуправляемой части определенным образом соединенных между собой двухполюсников из условия обеспечения двухуровневого изменения амплитуды и фазы проходного сигнала на заданном количестве частот при изменении состояния управляемого элемента, включенного в продольную цепь при произвольных значениях сопротивлений источника сигнала и нагрузок), а также варианты реализации в виде схем соединений элементов L, C, формирующих двухполюсник и математические выражения для определения их параметров обеспечивают реализацию требуемых разных законов изменения амплитуды и фазы проходного сигнала на заданном количестве фиксированных частот при включении модулятора между произвольными сопротивлениями при одновременном уменьшении массогабаритных размеров за счет исключения циркулятора и уменьшения количества двухполюсников.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы полупроводниковые диоды, например p-i-n диоды, варикапы и т.д., серийно выпускаемые промышленностью индуктивности и емкости, сформированные в заявленные схемы двухполюсников -образных соединений. Значения параметров емкостей и индуктивностей однозначно могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в описании изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в реализации требуемых разных законов изменения амплитуды и фазы проходного сигнала на заданном количестве фиксированных частот интерполяции при включении модулятора между произвольными сопротивлениями при одновременном уменьшении массогабаритных размеров за счет исключения циркулятора и уменьшения количества двухполюсников.

Устройство модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов, содержащее источник сигналов, к которому подключены реактивный четырехполюсник и полупроводниковый диод, подключенный параллельно к источнику низкочастотного управляющего сигнала, включенному в поперечную цепь, отличающееся тем, что четырехполюсник выполнен в виде произвольного соединения двух реактивных двухполюсников, сопротивление источника сигналов выбрано произвольным, параллельно источнику низкочастотного управляющего сигнала включена нагрузка для проходного СВЧ-сигнала с произвольными сопротивлениями на заданном количестве частот, двухполюсники выполнены из произвольным образом соединенных между собой реактивных элементов, количество которых выбрано не меньшим количества заданных частот интерполяции требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик, а параметры реактивных элементов выбраны из условия обеспечения требуемых отношений модулей и разностей фаз на заданном количестве частот в двух состояниях полупроводникового диода, определяемых двумя крайними уровнями управляющего сигнала.