Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации



Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации
Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство его реализации

 


Владельцы патента RU 2577913:

Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания устройств усиления и частотной демодуляции. Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона и квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики благодаря наличию резистивного четырехполюсника и согласования с помощью сложного комплексного двухполюсника, используемого в качестве высокочастотной нагрузки, по критерию формирования квазилинейного участка левого склона АЧХ, совпадающего с диапазоном изменения частоты входного ЧМС. Для достижения технического результата предложены способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов и устройство для реализации способа. Устройство усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов выполнено из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде сложного двухполюсника с комплексным сопротивлением zн, который сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и катушки с индуктивностью L, параметры R1, R2, L, С выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии с приведенными математическими выражениями. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания многофункциональных устройств усиления амплитуды и демодуляции частотно-модулированных сигналов с увеличенным квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики при произвольных заданных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и параметрах резистивного четырехполюсника.

Известен способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. М.: «Сов. Радио», 1974, с. 137-150], выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском отрицательного сопротивления с сопротивлением остальной части усилителя. Входную часть выполняют из параллельного колебательного контура. Выходную часть усилителя выполняют из фильтра нижних частот (ФНЧ), разделительной емкости и низкочастотной нагрузки [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Если средняя частота входного частотно-модулированного сигнала (ЧМС) совпадает со средней частотой левого склона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебательного контура, то ЧМС преобразуется в амплитудно-модулированный ЧМС (АЧМС). Нелинейный элемент разрушает (расщепляет) спектр АЧМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие, ФНЧ выделяет низкочастотные составляющие, а остальные подавляет. Разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. На низкочастотную нагрузку поступает низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС. В результате одновременно обеспечивается усиление и демодуляция ЧМС.

Известно устройство усиления и частотной модуляции, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. М.: «Сов. Радио», 1974, с. 137-150], входной цепи из параллельного колебательного контура и реактивного четырехполюсника, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС. [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на падающем участке его вольт - амперной характеристики. Благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольтамперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в во всей цепи с заданным допуском. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое суммирование функций усиления и частотной демодуляции. Если устройство эффективно в режиме усиления, то оно не эффективно в режиме частотной модуляции, и наоборот, если устройство эффективно в режиме частотной модуляции, то оно не эффективно в режиме усиления. Поэтому в общем случае возникают нежелательные частотные или нелинейные искажения в одном из режимов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации цепи прямой передачи (ЦПП) и цепи внешней обратной связи (ОС), выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском ОС и ЦПП с остальной части усилителя. Если средняя частота входного ЧМС совпадает со средней частотой левого склона АЧХ, а выходом остальной части усилителя является фильтр нижних частот и низкочастотная нагрузка, то одновременно с усилением произойдет преобразование ЧМС в АЧМС, амплитуда которого будет изменяться по закону изменения частоты входного ЧМС, а также амплитудная демодуляция АЧМС с формированием на низкочастотной нагрузке НЧ сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС. [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, цепи прямой передачи в виде первого четырехполюсника для согласования выходного электрода транзистора и нагрузки, входной цепи в виде параллельного колебательного контура, RC - цепи внешней положительной обратной связи (в общем виде- второго четырехполюсника для согласования управляющего электрода транзистора и нагрузки) между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, выходной цепи в виде ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом параметры контура, цепи прямой передачи, цепи обратной связи и транзистора выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ всего устройства и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт-амперной характеристики. Благодаря наличию внешней обратной связи, согласования с помощью реактивных четырехполюсников выходного электрода с нагрузкой и нагрузки с управляющим электродом, потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое совмещение функций усиления и частотной демодуляции. Общим недостатком всех известных способов и устройств является то, что отсутствуют технические решения, способствующие обеспечению режима усиления и режима частотной демодуляции с помощью одного радиотехнического устройства. Если в режиме частотной демодуляции достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то в режиме усиления эти искажения будут максимальными, и наоборот, если в режиме усиления достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то 6 режиме частотной демодуляции эти искажения будут максимальными. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств усиления и частотной демодуляции в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Кроме того, частотную демодуляцию и усиление можно обеспечить при наличии резистивных четырехполюсников, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что при определенных условиях способствует увеличению квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики, обеспечению заданного коэффициента усиления и динамического диапазона. Это обеспечивает минимум нелинейных и частотных искажений. Основой для данного изобретения является определение указанных условий.

Техническим результатом изобретения является усиление и частотная демодуляция высокочастотного сигнала с помощью устройства с увеличенным динамическим диапазоном и квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики благодаря наличию резистивного четырехполюсника и согласования с помощью сложного комплексного двухполюсника, используемого в качестве высокочастотной нагрузки, по критерию формирования квазилинейного участка левого склона АЧХ, совпадающего с диапазоном изменения частоты входного ЧМС. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанном на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкости и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, дополнительно четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением zн, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотной зависимости сопротивления zн в соответствии со следующим математическим выражением:

где - заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; z0 - заданная зависимость комплексного сопротивления источника входного частотно-модулированного сигнала от частоты в заданной полосе частот; f11, f12, f21, f22 - заданные суммарные зависимости комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей комплексных элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования заданной крутизны левого склона АЧХ устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала; j - мнимая единица.

2. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненном из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде сложного двухполюсника с комплексным сопротивлением zн, который сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, конденсатора с емкостью C, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и катушки с индуктивностью L, параметры R1, R2, L, С выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

-- оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления высокочастотной нагрузки на двух частотах, рассчитанные по формуле

- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; R01, R02, X01, X02 -- заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления Z0 произвольного комплексного двухполюсника на двух частотах ωi=2πfi; i=1, 2 - номер частоты; z0i - заданные значения комплексных сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала на двух заданных частотах; f11i, f12i, f21i, f22i - заданные суммарные значения комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента и соответствующих значений комплексных элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи на двух заданных частотах; mi, φi - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на двух заданных частотах для формирования заданной крутизны левого склона АЧХ устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала; j - мнимая единица.

На фиг. 1 показана схема устройства усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.

На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства по п. 2., реализующая предлагаемый способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов по п. 1.

На фиг. 3. приведена схема согласующего сложного комплексного двухполюсника, реализующего оптимальные значения сопротивления высокочастотной нагрузки предлагаемого устройства (фиг. 2).

Устройство-прототип (Фиг. 1), реализующее способ-прототип, содержит цепь прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента VT-1, подключенного к источнику постоянного напряжения-2, согласующего устройства СУ-3 в виде реактивного четырехполюсника. К цепи прямой передачи (ЦПП) подключена цепь обратной связи ОС-4. К выходу узла из ЦПП и ОС как единого целого подключены ФНЧ-5, разделительная емкость CP-6 и низкочастотная нагрузка Rн-7. Между источником ЧМС с сопротивлением z0-8 и входом ЦПП и ОС параллельно включен параллельный колебательный контур КК-9 на элементах L, R, C.

Принцип действия устройства усиления и демодуляции ЧМС (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.

При включении источника постоянного напряжения (тока)-2 рабочая точка нелинейного элемента-1 устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт - амперной характеристики. Благодаря согласованию с помощью СУ-3 выходного электрода с ОС-4 и ОС-4 с управляющим электродом, в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона КК-9, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент-1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость CP-6 устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку-7. Происходит демодуляция ЧМС.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше. Предлагаемое устройство по п. 2 (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ по п. 1, содержит трехполюсный нелинейный элемент-1 с известными элементами смешанной матрицы F на заданных частотах, подключенный к источнику постоянного напряжения-2 и соединенный по высокой частоте с цепью внешней ОС по параллельно-последовательной схеме (входы соединены параллельно, а выходы - последовательно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника-10, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Источник входного ЧМС с сопротивлением z0i=r0i+jx0i-8 на заданных частотах подключен к входу узла из нелинейного элемента-1 и четырехполюсника-10. К выходу этого узла подключен произвольный резистивный четырехполюсник РЧ-11, между выходом РЧ-11 и ФНЧ-5 параллельно включена высокочастотная нагрузка-12 с оптимальными сопротивлениями zнi=rнi+jxнi на заданных частотах. Высокочастотная нагрузка-12 выполнена в виде сложного двухполюсника с комплексным сопротивлением zнi, который сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1-13, конденсатора с емкостью С-14, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0-15 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2-16 и катушки с индуктивностью L-17. Произвольный четырехполюсник-10 тоже характеризуется известными значениями элементов смешанной матрицы F на заданных частотах i=1, 2.. - номер частоты). Четырехполюсник-11 может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d. Синтез усилителя и частотного демодулятора (выбор оптимальных частотных зависимостей сопротивления высокочастотной нагрузки - сложного согласующего двухполюсника, выбор его параметров R1, R2, L, C) осуществлен по критерию обеспечения заданной крутизны левого склона АЧХ в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала, в интересах одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции. В результате реализуется увеличенный квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения (тока)-2 рабочая точка нелинейного элемента-1 устанавливается на начальном участке его проходной вольт-амперной характеристики (режим работы с отсечкой, позволяющий разрушать спектр сигнала). Благодаря согласованию ЦПП и ОС как единого целого с помощью высокочастотной нагрузки-12 с остальной частью устройства в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для усиления амплитуды и устранения возможности возбуждения устройства, а также формируется левый склон АЧХ с заданной крутизной в заданной полосе частот. Происходит увеличение квазилинейного участка левого склона АЧХ. Благодаря этому, входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона АЧХ, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка левого склона АЧХ, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Происходит увеличение амплитуды АЧМС на квазилинейном участке левого склона АЧХ, что равносильно увеличению динамического диапазона. Нелинейный элемент-1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость СР-6 устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку-7. Происходит демодуляция ЧМС, частотные и нелинейные искажения уменьшаются. Коэффициент детектирования увеличивается в число раз, равное коэффициенту усиления - модулю передаточной функции высокочастотной части (до фильтра нижних частот) предлагаемого устройства.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала z01=r0+jx0, нагрузки zн2=rн+jxн и зависимостей элементов смешанной матрицы F нелинейного элемента (VT) , , , и элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи (ОС) , , , от частоты. При параллельно-последовательном соединении четырехполюсников элементы их матриц F складываются. Суммарные зависимости элементов смешанной матрицы F от частоты: f11=r11+jx11, f12=r12+jx12, f21=r21+jx21, f22=r22+jx22. Размерности элементов матрицы F: f11 (проводимость), f12(безразмерный), f21(безразмерный), f22 (сопротивление). Параметры нелинейного элемента зависят, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. Требуется определить частотную зависимость комплексного сопротивления zн согласующей высокочастотной нагрузки, оптимальную по критерию обеспечения условий формирования левого склона АЧХ и усиления амплитуды ЧМС в режиме частотной демодуляции и усиления.

Общая смешанная матрица F нелинейного элемента (VT) и четырехполюсника цепи обратной связи (ОС) и соответствующая ей классическая матрица передачи:

где Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:

где a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи. Общая нормированная классическая матрица передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора получается перемножением матрицы передачи (1) и матрицы (2) и учетом условий нормировки:

Используя известную связь элементов матрицы рассеяния с элементами классической матрицы передачи (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с. 34-36) и матрицу передачи (3), получим выражение для коэффициента передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора:

Можно показать, что коэффициент передачи (4) связан с физически реализуемой передаточной функцией простым соотношением Поэтому

Пусть требуется обеспечить требуемые зависимости модуля m (АЧХ) и фазы φ (ФЧХ) передаточной функции усилителя и частотного модулятора от частоты:

Передаточная функция (5) приводится к известному виду для коэффициента усиления усилителя с обратной связью:

где - коэффициенты усиления цепи прямой передачи и цепи обратной связи.

Пусть требуется обеспечить требуемые зависимости модуля m (АЧХ) и фазы φ (ФЧХ) передаточной функции усилителя и частотного модулятора от частоты:

Подставим (5) или (6) в (7). Решим полученное комплексное уравнение относительно сопротивления высокочастотной нагрузки:

Оптимальные характеристики нагрузки (8), обеспечивающие заданную крутизну и линейность левого склона АЧХ во всем диапазоне частот, реализовать невозможно. Здесь предлагается реализация квазиоптимальных характеристик, приблизительно совпадающих с оптимальными характеристиками в определенной полосе частот. Такая реализация может быть осуществлена различными способами, например, с помощью метода интерполяции. Для этого необходимо сформировать двухполюсник с сопротивлением zн из не менее, чем 2N (N - число частот интерполяции) реактивных и резистивных элементов, найти выражения для его сопротивления, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсника на заданных частотах, определенным по формулам (8), и решить сформированную таким образом систему 2N уравнений относительно 2N выбранных параметров реактивных и резистивных элементов. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условия физической реализуемости.

В соответствии с этим алгоритмом для случая N=2 получены математические выражения для определения значений параметров комплексного двухполюсника, формирующего высокочастотную нагрузку с сопротивлением zн, в виде сложного двухполюсника из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и катушки с индуктивностью L (фиг. 3).

Комплексное сопротивление этого двухполюсника:

Разделим в (9) между собой действительную и мнимую части и составим систему четырех уравнений:

Решение:

где

- оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления высокочастотной нагрузки (сложного комплексного двухполюсника) на двух частотах, рассчитанные по формуле (8); R01, R02, X01, X02 - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления Z0 произвольного комплексного двухполюсника на двух частотах ωi=2πfi; i - номер частоты. Индекс i можно ввести и для других величин, которые зависят от частоты явным образом.

Реализация оптимальных частотных характеристик rн, хн, (8) с помощью характеристик (9), которые при параметрах (11) являются квазиоптимальными характеристиками, обеспечивает в окрестности этих двух частот заданную крутизну левого склона АЧХ (m) в интересах усиления и преобразования ЧМС в АЧМС в режиме усиления и частотной демодуляции. Если частоты f1, f2 располагаются в порядке возрастания, то величины m1, m2 надо задавать возрастающими и с заданной крутизной. При разумном выборе положений задаваемых частот f1, f2 относительно друг друга квазилинейный склон АЧХ в окрестности этих двух частот будет незначительно отличаться от линейного склона при их полном совпадении на двух частотах. Если рабочую точку устанавливать на середине квазилинейного участка проходной вольт-амперной характеристики нелинейного элемента, то описанный алгоритм позволяет синтезировать устройство, функционирующее только в режиме усиления (без демодуляции). В этом случае выходной сигнал необходимо снимать с высокочастотной нагрузки-12, АЧХ (m) задавать плоской (величины m1=m2), а входной сигнал может быть произвольным, а не только ЧМС.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (использование в качестве цепи внешней обратной связи произвольного четырехполюсника, подключенного к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между источником сигнала и входом резистивного четырехполюсника, включение высокочастотной нагрузки между выходом резистивного четырехполюсника и низкочастотной частью, выполненной из ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки (фиг. 2), выбор оптимальных частотных зависимостей действительной rн и мнимой хн составляющих сопротивления высокочастотной нагрузки, формирование схемы сложного двухполюсника для реализации квазиоптимальных характеристик высокочастотной нагрузки в указанном виде (фиг. 3), выбор значений его параметров) обеспечивает одновременно усиление, преобразование ЧМС в АЧМС на левом склоне АЧХ, демодуляцию АЧМС, что эквивалентно частотной демодуляции;

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), реактивные и резистивные элементы, сформированные в заявленную схему комплексного двухполюсника (фиг. 3). Значения параметров резисторов, индуктивностей и емкостей этой схемы могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в обеспечении усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала за счет выбора схемы и значений параметров реактивных и резистивных элементов комплексного согласующего двухполюсника - высокочастотной нагрузки по критерию формирования левого склона АЧХ с заданными крутизной и коэффициентом усиления, что унифицирует устройство, увеличивает квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон в режиме усиления и частотной демодуляции.

1. Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи, и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкости и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, отличающийся тем, что четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением zн, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотной зависимости сопротивления zн в соответствии со следующим математическим выражением:

где - заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; z0 - заданная зависимость комплексного сопротивления источника входного частотно-модулированного сигнала от частоты в заданной полосе частот; f11, f12, f21, f22 - заданные суммарные зависимости комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей комплексных элементов смешанной матрицы цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования заданной крутизны левого склона АЧХ устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала; j - мнимая единица.

2. Устройство усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненное из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, отличающееся тем, что четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, подключенный к трехполюсному нелинейному элементу по параллельно-последовательной схеме, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде сложного двухполюсника с комплексным сопротивлением zн, который сформирован из последовательно соединенных первого резистивного двухполюсника с сопротивлением R1, конденсатора с емкостью С, произвольного комплексного двухполюсника с сопротивлением Z0=R0+jX0 и параллельно соединенных между собой второго резистивного двухполюсника с сопротивлением R2 и катушки с индуктивностью L, параметры R1, R2, L, С выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:
где


- оптимальные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления высокочастотной нагрузки на двух частотах, рассчитанные по формуле
- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; R01, R02, X01, X02 - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивления Z0 произвольного комплексного двухполюсника на двух частотах ωi=2πfi; i=1, 2 - номер частоты; z0i - заданные значения комплексных сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала на двух заданных частотах; f11i, f12i, f21i, f22i - заданные суммарные значения комплексных элементов смешанной матрицы F трехполюсного нелинейного элемента и соответствующих значений комплексных элементов смешанной матрицы F цепи внешней обратной связи на двух заданных частотах; mi, φI - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на двух заданных частотах для формирования заданной крутизны левого склона АЧХ устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала; j - мнимая единица.



 

Похожие патенты:

Изобретение предназначено для формирования задающих цепей генераторов, устройств частотной селекции и др. Техническим результатом изобретения является увеличение отношения первых двух резонансных частот полоскового резонатора при сохранении высокой добротности и миниатюрности и позволяет расширить протяженность полосы заграждения полосно-пропускающих фильтров на его основе.

Изобретение относится к волноводам мультиплексоров, встроенных в космическое оборудование для спутников. Технический результат состоит в создании малогабаритного и простого во внедрении термоэластичного воздействующего устройства, позволяющего обеспечить фазовую стабильность волновода.

Изобретение относится к устройствам обработки и коммутации СВЧ-сигналов на полупроводниковых приборах и предназначено для использования в телекоммуникационных системах, электрически управляемых устройствах СВЧ-электроники, таких как полосовые или селективные фильтры, антенны, перестраиваемые генераторы.

Изобретение относится к микроволновой технике и предназначено для применения в бортовой аппаратуре радиолокационных, коммуникационных и измерительных систем, подверженных воздействию внешних факторов.

Изобретение относится к технике СВЧ. Технический результат - повышение надежности и скорости переключения, увеличение уровня выходной мощности и уровня радиационной стойкости.

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий. Технический результат - повышение надежности устройства путем снижения влияния DX центров, повышения плотности электронов и устранения деградации в гетероструктуре.

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий, Технический результат - повышение надежности устройства путем снижения влияния DX центров, повышения плотности электронов и устранения деградации в гетероструктуре.

Изобретение относится к области полупроводниковых изделий. Технический результат - повышение надежности устройства путем снижения влияния DX центров, повышения плотности электронов и устранения деградации в гетероструктуре.

Использование: изобретение относится к устройствам, обеспечивающим постоянный фазовый сдвиг между компенсирующей линией и фазосдвигающим каналом (ФК) в широкой полосе частот.

Изобретение относится к электронной и ускорительной технике, а именно к вакуумноплотным волноводным окнам ввода-вывода энергии длинноволновой части СВЧ диапазона.

Изобретение относится к технике СВЧ и представляет собой волноводный переключатель. Переключатель содержит концентрично расположенные статор и ротор с выполненными в них волноводными каналами, узел управления, устройство фиксации ротора относительно статора и исполнительное устройство. Исполнительное устройство представляет собой концентрично расположенные магнитопровод в виде кольца и ротор. Магнитопровод имеет на внутренней поверхности четное количество зубьев не менее четырех, располагающихся симметрично относительно оси симметрии магнитопровода в каждой паре зубьев. На каждый зубец намотана катушка индуктивности. Катушки, находящиеся на зубцах каждой пары, электрически соединены между собой так, что начало намотки первой катушки соединено с концом намотки второй катушки, а незадействованные выводы катушек подключаются к узлу управления. Ротор исполнительного устройства представляет собой магнит в форме цилиндра и механически закреплен на оси ротора волноводного переключателя, магнитные полюса расположены параллельно оси, один из полюсов (S или N) перекрывает торцы зубцов одной половины катушек, а другой полюс (N или S) перекрывает один или более торцов зубцов другой половины катушек. Техническим результатом является обеспечение непосредственного переключения между любыми позициями. 2 ил.

Использование: для использования аттенюатор с фиксированным затуханием при измерениях в волноводных трактах с высоким уровнем мощности. Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ-аттенюатор содержит металлический прямоугольный волновод, поглотитель и экран, при этом волновод выполнен с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образованы два сопряженных друг с другом идентичных плавных перехода длиной L переменной высоты, уменьшающейся до b2, поглощающая поверхность каждого перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода расположена на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg((b-b2)/L), где α - угол наклона перехода. Технический результат: обеспечение возможности уменьшения КСВН и неравномерности коэффициента передачи в полосе частот волновода, плавного изменения электрической прочности и настройки затухания в небольших пределах при конструктивном и технологическом упрощении. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Многослойный полосно-пропускающий фильтр, относящийся к микроволновой и оптической технике, содержит параллельные слои диэлектрика резонансной толщины, каждый из которых отделен один от другого и от окружающего пространства прилегающими зеркалами. При этом каждое его зеркало выполнено в виде плоской решетки полосковых проводников. Техническим результатом изобретения является улучшение селективных свойств фильтра, выражающееся в расширении полос заграждения выше и ниже полосы пропускания за счет значительного сужения паразитных полос пропускания. 3 ил.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано как оконечная нагрузка в волноводных трактах с высоким уровнем мощности и в качестве эталонной измерительной согласованной нагрузки. Техническим результатом является уменьшение коэффициента стоячей волны по напряжению (КСВН) и длины СВЧ-нагрузки при конструктивном и технологическом упрощении. Для этого СВЧ-нагрузка содержит металлический волновод, поглотитель и экран. Волновод выполнен прямоугольным с высотой b узкой стенки и шириной а широкой стенки, в котором образован плавный переход переменной высоты, уменьшающейся до нуля на длине L. Поглощающая поверхность перехода совмещена с поглощающей поверхностью поглотителя шириной s, расположенной на одной из широких стенок волновода, а отражающая поверхность перехода - на противоположной широкой стенке, при условии s<a, α=arctg(b/L), где α - угол наклона перехода. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к СВЧ-технике. Невзаимный схемный элемент содержит: ферримагнетик, который размещен поверх схемной платы, проводящую крышку, которая закрывает верхнюю поверхность ферримагнетика и выполнена как единое целое, множество соединительных частей, которые электрически соединяют проводящую крышку с множеством соответствующих линий передачи сигналов поверх схемной платы; и магнит, который прикладывает магнитное поле к ферримагнетику. При этом упомянутое множество соединительных частей выполнено снаружи проводящей крышки. Технический результат заключается в упрощении конструкции невзаимного схемного элемента. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам. Соединение между антенным устройством и устройством радиосвязи содержит фланцевые участки, включающие в себя неконтактные противостоящие поверхности и участки волновода, проходящие через неконтактные противостоящие поверхности, каждый из которых выполнен для антенного устройства и устройства радиосвязи; дроссельную канавку, сформированную вне упомянутого участка волновода на любой одной или на обеих неконтактных противостоящих поверхностях антенного устройства и устройства радиосвязи, и волновод, сформированный из упомянутых участков волновода, противостоящих один другому, с просветом между ними в состоянии, в котором антенное устройство и устройство радиосвязи прикреплены один к другому, и неконтактные противостоящие поверхности непосредственно противостоят друг другу с просветом между ними и помещаются параллельно друг другу, и при этом фланцевые участки противостоят друг другу с промежутком между ними. Технический результат заключается в устранении несимметричности контакта. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - расширение полосы пропускания при уменьшении габаритов трансформатора. Для этого используется ступенчатый трансформатор СВЧ, состоящий из каскадно включенных ступеней с параллельно включенными четвертьволновыми отрезками связанных полосковых линий с различными волновыми сопротивлениями, в котором электромагнитная связь между вышеуказанными ступенями осуществляется вышеуказанными четвертьволновыми отрезками, посредством того, что их электрическое соединение производится каскадно параллельным соединением вышеуказанных линий с помощью перемычек, в результате чего линия, представляющая первую высокоомную ступень, имеет электромагнитную связь с двумя линиями, включенными с ней параллельно с помощью первой и второй параллельных перемычек, причем эти две линии представляют собой вторую ступень и имеют электромагнитную связь с двумя другими линиями, также включенными параллельно с помощью первой и третьей параллельных перемычек, причем эти две другие линии представляют собой третью низкоомную ступень. 1 ил.

Изобретение относится к радиотехнике СВЧ и может быть использовано для подавления внеполосных и паразитных колебаний в трактах приемопередающих систем, в том числе высокой мощности, а также для грубого измерения частоты микроволнового излучения. Волноводный ФНЧ представляет собой прямоугольный волновод конечной длины с фланцами со встроенными в него со стороны его широких стенок напротив друг друга диафрагмами с зазором между ними, по крайней мере часть из которых (одинаковых по высоте) является набором низкоомных секций фильтра, носящих емкостной характер, между которыми расположены высокоомные секции фильтра, образованные участками прямоугольного волновода между соседними вдоль широкой стенки прямоугольного волновода диафрагмами и носящие индуктивный характер. Остальные диафрагмы, расположенные на входе и выходе фильтра, служат для согласования с входным и выходным волноводами, что обеспечивает минимизацию потерь в полосе пропускания фильтра. Перестройка частоты среза ФНЧ осуществляется введением в центральную часть ФНЧ двух дополнительных диафрагм, изменяющих индуктивность центральной секции фильтра, что позволяет перестраивать частоту среза фильтра на величину до 3% от частоты среза и не ухудшая значительно потерь в рабочей полосе фильтра (≤3 дБ). Технический результат заключается в разработке простого в изготовлении волноводного фильтра низких частот, имеющего перестройку частоты среза и обеспечивающего подавление паразитных сигналов на частотах, превышающих частоту среза не менее чем в два раза, обладающего минимальными потерями в полосе пропускания. Фильтр предназначен для использования в дециметровом и сантиметровом диапазонах длин волн. Использование специальной технологии изготовления, например электроэрозионной обработки, позволяет изготовить ФНЧ предлагаемой конструкции для использования в миллиметровом диапазоне длин волн. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к СВЧ электронике, в частности к частотно-селективным фильтрам. Широкополосный полосно-пропускающий фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое основание, а на вторую сторону нанесен полосковый проводник, частично расщепленный с одного конца. При этом микрополосковый проводник, обладающий осевой симметрией, расщеплен широкой, а затем узкой продольными прорезями с длинами от 12% до 36% и от 14% до 41% длины проводника соответственно. Вдоль длинной стороны проводника с обеих его сторон параллельно нанесены проводники связи, свернутые П-образно. Соответствующе проводники образуют резонаторы, связанные между собой индуктивно-емкостной связью, а размеры дважды расщепленного проводника и проводников связи выбраны таким образом, чтобы их сближенные резонансы одновременно участвовали в формировании полосы пропускания. Перестройка фильтра по частоте может быть осуществлена изменением длины проводников и прорезей между ними. Технический результат - повышение частотно-избирательных свойств и расширение относительной полосы пропускания фильтра. 2 ил.

Использование: для создания частотно-селективной высокоимпедансной поверхности. Сущность изобретения заключается в том, что частотно-селективная высокоимпедансная поверхность содержит однослойную экранированную печатную плату, с одной стороны которой выполнена импедансная решетка из связанных не менее чем двумя емкостными зазорами микрополосковых многозаходных спиралей Архимеда, в центрах которых расположены металлизированные переходные отверстия, соединенные с общим металлическим экраном, емкостные зазоры выполнены в виде микрополосковых копланарных линий. Технический результат: обеспечение возможности создания частотно-селективной высокоимпедансной поверхности, которая имеет отрицательные значения эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей, а также поверхностный импеданс, перестраиваемый в данном частотном диапазоне, и существенно превосходящий волновое сопротивление свободного пространства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх