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 2591014:

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)

Изобретение относится к усилению и демодуляции частотно-модулированных сигналов. Технический результат - увеличение линейного участка частотной демодуляционной характеристики и увеличение динамического диапазона при произвольных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи и нагрузки. Для этого устройство 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 последовательно-параллельной 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 двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде T-образного соединения трех резистивных двухполюсников. 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 нагрузки.

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.: «Советское 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 вольт-амперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. М.: «Советское 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 вольт-амперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери 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 вольт-амперной 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 неэффективно в режиме частотной модуляции, и наоборот, если устройство эффективно в режиме частотной модуляции, то оно неэффективно 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 вольт-амперной 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 вольт-амперной 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 в режиме частотной демодуляций 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 согласованию с помощью резистивного четырехполюсника 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 последовательно-параллельной 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, значение модуля mp передаточной функции и резонансную частоту устройства выбирают из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют путем реализации заданного значения mp на резонансной частоте за счет выбора значений параметров резистивного четырехполюсника в соответствии со следующими математическими выражениями:

; ,

где ; ; ; ; ; A1=r110x21-x110r21; B1=r110r21+x110x21; A2=r220r21+x220x21; B2=r21x220-r220x21;

r110=r12r21+x11x22-r0r22+x0x22-r11r22-x12x21; r220=-(r0+r11);

x110=r12x21-x0r22-r11x22-r0x22+x12r21-x11r22; x220=-(x0+x11);

, ; - отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, x0, xн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; r11, x11, r12, x12, r2l, x2l, r22, x22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H цепи внешней обратной связи на резонансной частоте.

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 последовательно-параллельной 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 двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде T-образного соединения трех резистивных двухполюсников с сопротивлениями r1, r2, r3, значения сопротивлений r1, r3 выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:

; ,

где ;

; ; ; ; , A1=r110x21-x110r21; B1=r110r21+x110x21; A2=r220r21+x220x21; B2=r21x220-r220x21;

r110=r12r21+x11x22-r0r22+x0x22-r11r22-x12x21; r220=-(r0+r11);

x110=r12x21-x0r22-r11x22-r0x22+x12r21-x11r22; x220=-(x0+x11);

r0, rн, x0, xн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; r11, x11, r12, x12, r21, x2l, r22, x22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H цепи внешней обратной связи на резонансной частоте; значение резонансной частоты и величина заданного и реализуемого модуля mp передаточной функции на резонансной частоте выбраны из условия совпадения формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного частотно-модулированного сигнала;

r2 - заданное значение сопротивления второго двухполюсника резистивного четырехполюсника.

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

На фиг. 2 показана 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 резистивного четырехполюсника, входящего в состав 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 CР-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 вольт-амперной 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 CР-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 H h 11 i V T = r 11 i V T + j x 11 i V T , h 12 i V T = r 12 i V T + j x 12 i V T , h 21 i V T = r 21 i V T + j x 21 i V T , h 22 i V T = r 22 i V T + j x 22 i V T на заданных частотах, подключенный к источнику постоянного напряжения-2 и соединенный по высокой частоте с цепью внешней ОС по последовательно-параллельной схеме (входы соединены последовательно, а выходы - параллельно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника-10, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Источник входного ЧМС с сопротивлением zQi=r0i+jxQt-8 на заданных частотах подключен к входу узла из нелинейного элемента-1 и четырехполюсника-10. К выходу этого узда подключен согласующий резистивный четырехполюсник СРЧ-11, между выходом СРЧ-11 и ФНЧ-5 параллельно включена высокочастотная нагрузка-12 с заданными сопротивлениями zнi=rнi+jxнi на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник-10 тоже характеризуется известными значениями элементов смешанной матрицы H h 11 i O C = r 11 i O C + j x 11 i O C , h 12 i O C = r 12 i O C + j x 12 i O C , h 21 i O C = r 21 i O C + j x 21 i O C , h 22 i O C = r 22 i O C + j x 22 i O C на заданных частотах (i=1, 2… - номер частоты). Четырехполюсник-11 может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. В данном изобретении этот четырехполюсник выполнен в виде T-образного соединения трех двухполюсников с сопротивлениями r1-13, r2-14, r3-15 (фиг. 3). Синтез усилителя и частотного демодулятора (выбор оптимальных значений сопротивлений, первого r1-13 и третьего r3-15 двухполюсников СРЧ-11) осуществлен по критерию обеспечения заданной крутизны квазилинейного участка левого склона АЧХ в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного ЧМС, за счет реализации заданного модуля передаточной функции (коэффициента усиления) на резонансной частоте. 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 СРЧ-11 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 CР-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 H нелинейного элемента (VT) h 11 н э = r 11 н э + j x 11 н э , h 12 н э = r 12 н э + j x 12 н э , h 21 н э = r 21 н э + j x 21 н э , h 22 н э = r 22 н э + j x 22 н э и элементов смешанной матрицы H цепи внешней обратной связи (ОС) h 11 о с = r 11 о с + j x 11 о с , h 12 о с = r 12 о с + j x 12 о с , h 21 о с = r 21 о с + j x 21 о с , h 22 о с = r 22 о с + j x 22 о с от частоты. При последовательно-параллельном соединении четырехполюсников элементы их матриц H складываются. Суммарные зависимости элементов смешанной матрицы H от частоты: h11=r11+jx11, h12=r12+jx12, h21=r21+jx21, h22=r22+jx22. Размерности элементов матрицы H: h11 (сопротивление), h12 (безразмерный), h21 (безразмерный), h22 (проводимость). Параметры нелинейного элемента зависят, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. Требуется определить значения сопротивлений r1, r3 (аппроксимирующие функции) первого и третьего резистивных согласующих двухполюсников СРЧ-11, оптимальные по критерию обеспечения условий формирования левого склона АЧХ и усиления амплитуды ЧМС в режиме частотной демодуляции и усиления.

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

где |h|=h11h22-h12h21. Резистивный четырехполюсник (СРЧ) 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 в режиме усиления:

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

.

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). После разделения между собой мнимых и действительных частей получим систему двух уравнений, эквивалентных (7):

где Cs=(α+γrн)r220-(β+rн)r110+xн(x110-γx220);

Sc=(α+γrн)x220-(β+rн)x110-xн(r110-γr220);

r110=r12r21+x11x22-r0r22+x0x22-r11r22-x12x21; r220=-(r0+r11);

x110=r12x21-x0r22-r11x22-r0x22+x12r21-x11r22; x220=-(x0+x11);

Решение (8) имеет вид оптимальных по критерию (7) взаимосвязей между элементами классической матрицы передачи СРЧ:

где ; ; ;

; ; A1=r110x21-x110r21; B1=r110r21+x110x21; A2=r220r21+x220x21; B2=r21x220-r220x21;

Оптимальные характеристики (9), 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.

Известно, что максимум АЧХ наблюдается на частоте, на которой фаза передаточной функции равна нулю. Это частота называется резонансной. Частота входного ЧМС изменяется относительно средней частоты в сторону уменьшения и в сторону увеличения на величину, равную девиации частоты. Назовем максимальную величину частоты ЧМС верхней частотой. Таким образом, если резонансная частота устройства расположена выше верхней частоты ЧМС, то изменение частоты ЧМС будет происходить на левом склоне АЧХ предлагаемого устройства, в результате чего произойдет преобразование входного ЧМС в АЧМС. Усиление амплитуды входного ЧМС в предлагаемом устройстве носит регенеративный характер - чем больше коэффициент усиления на резонансной частоте, тем уже рабочая полоса частот, и наоборот. Поэтому изменяя задаваемую и реализуемую в силу (9) величину модуля передаточной функции mp, равную значению m на резонансной частоте, мы можем регулировать величину квазилинейного участка левого склона АЧХ для обеспечения его совпадения с диапазоном изменения частоты входного ЧМС. Положим в (9) φ=0. Получим

где ; . Остальные коэффициенты имеют тот же вид, что и в (9).

Реализация квазиоптимальных характеристик (10) осуществляется следующим образом. Выбираем типовую схему резистивного четырехполюсника с известной классической матрицей передачи. Находим отношения элементов классической матрицы передачи. Определенные таким образом коэффициенты ; ; ; a подставляем в (10) и решаем полученную систему уравнений относительно двух выбранных параметров выбранной схемы СРЧ. Если в СРЧ-11 количество двухполюсников больше двух, то сопротивления остальных двухполюсников могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. В соответствии с этим алгоритмом получены выражения для определения оптимальных по критерию (10) сопротивлений первого и третьего двухполюсников СРЧ в виде T-образного звена (фиг. 3):

где . Значение сопротивления r2 может быть выбрано произвольно (но не равное нулю или бесконечности) или исходя из условия физической реализуемости, например, для обеспечения положительности подкоренного выражения в (11).

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 последовательно-параллельной 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), выполнение согласующего резистивного четырехполюсника в виде T-образного соединения трех двухполюсников, выбор значений сопротивлений первого и третьего резистивных двухполюсников r1 и r3 (фиг. 3)) 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), резистивные элементы, сформированные в T-образную схему резистивного четырехполюсника (фиг. 3). Значения сопротивлений резистивных элементов 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 сопротивлений резистивных элементов согласующего резистивного четырехполюсника 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 последовательно-параллельной 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, значение модуля mp передаточной функции и резонансную частоту устройства выбирают из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты частотно-модулированного сигнала, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют путем реализации заданного значения mp на резонансной частоте за счет выбора значений параметров резистивного четырехполюсника в соответствии со следующими математическими выражениями:

где



- отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r0, rн, x0, xн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; r11, x11, r12, x12, r21, х21, r22, х22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы Η цепи внешней обратной связи на резонансной частоте.

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 последовательно-параллельной 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 двухполюсника с комплексным сопротивлением, резистивный четырехполюсник выполнен в виде Т-образного соединения трех резистивных двухполюсников с сопротивлениями r1, r2, r3, значения сопротивлений r1, r3 выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:

где




r0, rн, х0, хн - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на резонансной частоте; r11, x11, r12, х12, r21, х21, r22, х22 - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H трехполюсного нелинейного элемента на резонансной частоте и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов смешанной матрицы H цепи внешней обратной связи на резонансной частоте; значение резонансной частоты и величина заданного и реализуемого модуля mp передаточной функции на резонансной частоте выбраны из условия формирования заданной крутизны квазилинейного участка левого склона амплитудно-частотной характеристики устройства в заданной полосе частот, совпадающей с диапазоном изменения частоты входного частотно-модулированного сигнала; r2 - заданное значение сопротивления второго двухполюсника резистивного четырехполюсника.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат изобретения заключается в обеспечении модуляции амплитуды и фазы высокочастотного сигнала при заданных зависимостях отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора в двух состояниях управляемого нелинейного элемента, определяемых двумя уровнями управляющего низкочастотного сигнала, от частоты в заданной полосе частот за счет оптимизации схемы и значений параметров комплексного четырехполюсника.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств усиления и частотной демодуляции с увеличенным линейным участком частотной демодуляционной характеристики.

Изобретение относится к областям радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов. Техническим результатом является повышение диапазона генерируемых колебаний в заданном диапазоне изменения амплитуды управляющего сигнала.

Изобретение относится к областям радиосвязи и может быть использовано для создания устройств усиления и частотной демодуляции с увеличенным линейным участком частотной демодуляционной характеристики и увеличенным динамическим диапазоном.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации и частотной модуляции высокочастотных сигналов. Техническим результатом является повышение диапазона генерируемых колебаний при использовании комплексных четырехполюсников.

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для создания устройств генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот. Техническим результатом является повышение диапазона генерируемых колебаний при использовании комплексных четырехполюсников с сосредоточенными параметрами.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в информационных системах передачи, приема, извлечения информации. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости фильтрации и обнаружение флуктуирующей пачки радиоимпульсов на фоне шума, обнаружение более широкого класса импульсных сигналов.

Группа изобретений относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат изобретения заключается в расширении области физической реализуемости изменения действительной и мнимой составляющих сопротивлений источника сигнала и нагрузки, в пределах которых одновременно обеспечивается требуемое значение модулей и фаз коэффициентов передачи.

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации и может использоваться для демодуляции фазомодулированных и частотно-модулированных сигналов. .

Изобретение предназначено для использования в селективных трактах радиоаппаратуры различного назначения. Фильтр содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца, и на вторую сторону также нанесены полосковые проводники, закороченные с одного конца.

Изобретение относится к области радиосвязи и радиолокации. Технический результат изобретения заключается в обеспечении модуляции амплитуды и фазы высокочастотного сигнала при заданных зависимостях отношения модулей и разности фаз передаточной функции модулятора в двух состояниях управляемого нелинейного элемента, определяемых двумя уровнями управляющего низкочастотного сигнала.

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат изобретения заключается в повышении диапазона генерируемых колебаний, генерации высокочастотных сигналов на заданном количестве частот при произвольных комплексных сопротивлениях нагрузки, что позволяет формировать сложные сигналы и создавать устройства генерации с заданным количеством радиоканалов при любых заданных частотных характеристиках нагрузки.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в устройствах измерительной техники. Технический результат - уменьшение продольного размера фотонного кристалла вдоль направления распространения электромагнитной волны до величины, меньшей длины волны основного типа.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат - расширение полосы пропускания при уменьшении габаритов трансформатора.

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.

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.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано для частотной селекции высокочастотных сигналов в радиотехнических устройствах, телевидении, системах связи и радиоканалах передачи телекоммуникационных данных. Предлагаемый фильтр гармоник содержит n последовательно соединенных отрезков линии передачи одинаковой длины, параллельно которым подключены дополнительные отрезки линии передачи, длина которых в 2 раза больше, чем длина последовательно соединенных отрезков линии передачи. Волновые сопротивления всех отрезков линии передачи имеют одинаковую величину, которая в 2,3 раза больше, чем величина сопротивления нагрузок для фильтра гармоник. В предлагаемом устройстве повышение затухания во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) достигнуто за счет того, что фильтр гармоник представляет собой структуру, в которой дополнительно введенные отрезки линии передачи обеспечивают прохождение высокочастотного сигнала по двум путям с различными фазовыми сдвигами. Это вызывает интерференцию высокочастотных сигналов в точках подключения дополнительных отрезков линии передачи, в результате чего образуются пульсации АЧХ как в полосе заграждения, так и в полосе пропускания. АЧХ предлагаемого фильтра гармоник по своей форме соответствует эллиптическому фильтру, в котором обеспечивается повышенное затухание во всей полосе заграждения и увеличение крутизны скатов АЧХ. 4 ил.
Наверх