Способ встроенного контроля приемопередатчика и устройство для его осуществления (варианты)
Владельцы патента RU 2772887:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр-Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в бортовых малогабаритных радиовысотомерах с квазинепрерывными фазоманипулированными сигналами КВЧ-диапазона и приемником прямого преобразования частоты. Техническим результатом изобретения являются малые габариты и масса, возможность формирования контрольного сигнала в когерентных приёмопередатчиках КВЧ-диапазона, простота практической реализации и высокая надёжность. Способ формирования контрольного сигнала для встроенного контроля приёмопередатчика с использованием квазинепрерывных фазоманипулированных сигналов заключается в задержке квадратурных составляющих огибающей зондирующего сигнала, последующей квадратурной фазовой модуляции непрерывного сигнала задержанными квадратурными составляющими огибающей и подаче контрольного сигнала на вход приемника. Задержку осуществляют на видеочастоте путём квадратурной демодуляции части зондирующего сигнала с помощью непрерывного сигнала с частотой, равной несущей частоте этого сигнала. Устройство встроенного контроля приёмопередатчика с приёмником прямого преобразования частоты дополнительно содержит две идентичные друг другу линии задержки на видеочастоте. Сигнальный вход КФМ подключён к одному из выходов синтезатора частоты передатчика. 3 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может применяться в бортовых малогабаритных радиовысотомерах (РВ) с квазинепрерывными фазоманипулированными сигналами КВЧ-диапазона и приемником прямого преобразования частоты.
Известен способ встроенного контроля приемопередатчика, использованный в импульсном радиолокаторе 8-мм диапазона длин волн, предназначенном для измерения высоты полета самолета [В.А. Козлов, А.Л. Кунилов, Д.Р. Шишкин. Опыт разработки приемопередающих устройств для бортовых РЛС миллиметрового диапазона длин волн / Труды конференции «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления». Том 2. Нижний Новгород, 3-5 апреля 2002 г. С.103-106], выбранный за аналог.
Способ-аналог применен в приемопередатчике супергетеродинного типа с линией задержки на промежуточной частоте, выполненной на ПАВ и работающей на отражение.
Недостатками способа-аналога являются:
- непригодность для встроенного контроля приемопередатчика с квазинепрерывными фазоманипулированными сигналами ввиду некогерентности сигналов генератора передатчика и гетеродина приемника;
- значительные потери в линии задержки на ПАВ, достигающие 50-60 дБ;
- узкая полоса пропускания линии задержки на ПАВ, ограничивающая возможности использования квазинепрерывных фазоманипулированных сигналов с короткими парциальными радиоимпульсами.
Известен способ встроенного контроля приемопередатчика РЛС, приведенный в [Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. - М: Радио и связь, 1988. - С.150-151], выбранный за аналог.
Способ-аналог применен в приемопередатчике бортовой РЛС супергетеродинного типа с линией задержки на промежуточной частоте, работающей на проход, и компенсирующим в ней потери усилителем.
Недостатками способа-аналога являются:
- непригодность для встроенного контроля приемопередатчика с квазинепрерывными фазоманипулированными сигналами ввиду некогерентности сигналов передатчика и гетеродина приемника;
- пониженная надежность ввиду наличия компенсирующего усилителя;
- сложность построения, обусловленная необходимостью обеспечения режима рециркуляции задержанного сигнала.
Известен способ встроенного контроля приемопередатчика РЛС, приведенный в [Яковлева Д.А. Техническая диагностика транспортного РЭО: пособие по выполнению практических занятий. - М.: МГТУ ГА, 2015. Рис. 5, С.9], выбранный за прототип.
Сущность способа-прототипа поясняется фигурой 1 и состоит в формировании контрольного сигнала непосредственно из сигнала передатчика 1 с помощью формирователя 5 и линии задержки 4, подключаемых в режиме «Контроль» переключателем режима работы 3 к входу приемника 2.
Недостатком способа-прототипа является отсутствие широкополосных малогабаритных линий задержки с приемлемыми потерями в КВЧ-диапазоне.
Наиболее близкой по своей технической сути к предлагаемому изобретению является устройство встроенного контроля приемопередатчика ретранслятора с бортовой обработкой и приемником прямого преобразования частоты, использующего фазоманипулированные сигналы [Патент РФ №2717092, МПК Н04В 7/185. Система встроенного контроля бортового ретранслятора. Опубликовано 18.03.2020, бюл. №8], выбранное за прототип.
Сущность устройства-прототипа (системы встроенного контроля) поясняется фигурой 2 и состоит в формировании контрольного сигнала из части непрерывного сигнала синтезатора частоты приёмника путём её квадратурной фазовой модуляции огибающей выходного сигнала передатчика. Квадратурная фазовая модуляция осуществляется квадратурным фазовым модулятором 10, огибающая выходного сигнала передатчика выделяется квадратурным смесителем 7 и фильтрами низкой частоты 8, 9. В качестве гетеродинного сигнала квадратурного смесителя 7 используется часть непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика. До требуемого для квадратурного смесителя 7 уровня мощности сигнал с выхода передатчика ослабляется аттенюатором 6. Уровень мощности контрольного сигнала устанавливается аттенюатором 11, подача контрольного сигнала на вход приёмника осуществляется с помощью отключателя 12.
Недостатком устройства-прототипа является невозможность его использования для радиовысотомеров.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются малые габариты и масса, возможность формирования контрольного сигнала в когерентных приёмопередатчиках КВЧ-диапазона, простота практической реализации и высокая надёжность.
Технический результат достигается тем, что формирование контрольного сигнала для встроенного контроля приёмопередатчика с использованием квазинепрерывных фазоманипулированных сигналов осуществляется путём задержки части зондирующего сигнала и подачи контрольного сигнала на вход приёмника, задержку осуществляют на видеочастоте путём квадратурной демодуляции части зондирующего сигнала с помощью непрерывного сигнала с частотой, равной несущей частоте этого сигнала, затем задержки квадратурных составляющих его огибающей и последующей квадратурной фазовой модуляции непрерывного сигнала задержанными квадратурными составляющими огибающей.
Технический результат достигается тем, что в устройство встроенного контроля приёмопередатчика с приёмником прямого преобразования частоты, содержащее включенные последовательно первый аттенюатор, квадратурный смеситель, к первому выходу которого подключен первый фильтр низкой частоты, к второму выходу подключен второй фильтр низкой частоты, к гетеродинному входу подключен один из выходов синтезатора частоты передатчика, а также содержащее включенные последовательно квадратурный фазовый модулятор, второй аттенюатор и отключатель, выход которого подключен к входу приемника, введены две идентичные друг другу линии задержки на видеочастоте таким образом, что вход первой линии задержки подключен к выходу первого фильтра низкой частоты, а выход - к первому входу квадратурного фазового модулятора, вход второй линии задержки подключен к выходу второго фильтра низкой частоты, а выход - к второму входу квадратурного фазового модулятора, при этом сигнальный вход квадратурного фазового модулятора подключен к одному из выходов синтезатора частоты передатчика.
Технический результат достигается тем, что в устройство встроенного контроля приемопередатчика с приемником прямого преобразования частоты, содержащее включенные последовательно первый аттенюатор, квадратурный смеситель, к гетеродинному входу которого подключен один из выходов синтезатора частоты передатчика, а также содержащее включенные последовательно квадратурный фазовый модулятор, второй аттенюатор и отключатель, выход которого подключен к входу приемника, введены две идентичные друг другу линии задержки на видеочастоте в виде искусственных линий, образованных последовательно включенными ячейками на LC элементах, таким образом, что вход первой линии задержки подключен к первому выходу квадратурного смесителя, а выход - к первому входу квадратурного фазового модулятора, вход второй линии задержки подключен к второму выходу квадратурного смесителя, а выход - к второму входу квадратурного фазового модулятора, при этом сигнальный вход квадратурного фазового модулятора подключен к одному из выходов синтезатора частоты передатчика.
Способ-прототип поясняет функциональная схема, приведенная на фигуре 1.
На схеме, приведенной на фигуре 1, приняты следующие обозначения:
1 - передатчик (ПРД); 2 - приемник (ПРМ); 3 - переключатель режима работы (П); 4 - линия задержки (ЛЗ); 5 - формирователь (Ф).
Устройство-прототип поясняет функциональная схема, приведенная на фигуре 2.
Предлагаемые способ и устройство поясняет функциональная схема, приведенная на фигуре 3, предлагаемый второй вариант устройства поясняет функциональная схема, приведенная на фигуре 4.
На схемах, приведенных на фигурах 2-4, приняты следующие обозначения:
6 - первый аттенюатор (Атт1):
7 - квадратурный смеситель (КСМ);
8 - первый фильтр низкой частоты (ФНЧ1);
9 - второй фильтр низкой частоты (ФНЧ2);
10 - квадратурный фазовый модулятор (КФМ);
11 - второй аттенюатор (Атт2);
12 - отключатель (Откл);
13 - первая линия задержки (ЛЗ1);
14 - вторая линия задержки (ЛЗ2).
Синтезатор частоты приемника (СЧ ПРМ) и синтезатор частоты передатчика (СЧ ПРД) на схемах фиг.2-4 не показаны.
Электрическая схема элементарной ячейки и линии задержки на видеочастоте приведена на фигуре 5. На схеме, приведенной на фигуре 5а, показана схема элементарной ячейки, на фигуре 5б - схема линии задержки.
Предлагаемое устройство встроенного контроля приемопередатчика (фиг.3) содержит включенные последовательно первый аттенюатор 6, квадратурный смеситель 7, к первому выходу которого подключен первый фильтр низкой частоты 8, к второму выходу подключен второй фильтр низкой частоты 9, а к гетеродинному входу подключен один из выходов синтезатора частоты передатчика. К выходу первого фильтра низкой частоты 8 подключена первая линия задержки 13, выход которой подключен к первому входу квадратурного фазового модулятора 10, к выходу второго фильтра низкой частоты 9 подключена вторая линия задержки 14, выход которой подключен к второму входу квадратурного фазового модулятора 10. Сигнальный вход квадратурного фазового модулятора 10 подключен к одному из выходов синтезатора частоты передатчика, а выход квадратурного фазового модулятора 10 подключен к входу второго аттенюатора 11, выход которого с помощью отключателя 12 подключен к входу приемника.
Второй вариант устройства встроенного контроля приемопередатчика (фиг.4) с первой линией задержки 13 и второй линией задержки 14, выполненными в виде искусственных линий по схеме, приведенной на фиг.5, содержит включенные последовательно первый аттенюатор 6, квадратурный смеситель 7, к первому выходу которого подключена первая линия задержки 13, к второму выходу подключена вторая линия задержки 14, а к гетеродинному входу подключен один из выходов синтезатора частоты передатчика. Выход первой линии задержки 13 подключен к первому входу квадратурного фазового модулятора 10, выход второй линии задержки 14 подключен к второму входу квадратурного фазового модулятора 10. Сигнальный вход квадратурного фазового модулятора 10 подключен к одному из выходов синтезатора частоты передатчика, а выход квадратурного фазового модулятора 10 подключен к входу второго аттенюатора 11, выход которого с помощью отключателя 12 подключен к входу приемника.
Предлагаемый способ встроенного контроля приемопередатчика осуществляется следующим образом.
В режиме «Контроль» из части зондирующего квазинепрерывного фазоманипулированного сигнала квадратурной демодуляцией с помощью непрерывного сигнала с частотой, равной несущей частоте этого сигнала, выделяют квадратурные составляющие его огибающей, которые задерживают на видеочастоте и далее ими модулируют квадратурным способом часть непрерывного сигнала с частотой, равной несущей частоте зондирующего сигнала, формируя контрольный сигнал, эквивалентный задержанному зондирующему квазинепрерывному фазоманипулированному сигналу. Далее контрольный сигнал подают на вход приемника.
Эффективность использования задержки на видеочастоте, предложенная в способе, обусловлена простотой построения линии задержки на видеочастоте по сравнению с линиями задержки на радиочастоте [Радиоприемные устройства. / Под ред. А.П. Жуковского. - М: Высшая школа, 1989. С.247].
Предлагаемое устройство встроенного контроля приемопередатчика функционирует следующим образом.
В режиме «Контроль» часть зондирующего сигнала через первый аттенюатор 6 подается на сигнальный вход квадратурного смесителя 7, на гетеродинный вход которого поступает часть непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика. Полученные квадратурные составляющие огибающей фильтруются фильтрами низких частот 8, 9 и в виде последовательности парциальных видеоимпульсов задерживаются в линиях задержки 13, 14. Далее они поступают на квадратурный фазовый модулятор 10, на сигнальный вход которого поступает часть непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика. Полученный на выходе второго аттенюатора 11 квазинепрерывный фазоманипулированный сигнал, задержанный относительно сформированного в передатчике, с помощью отключателя 12 подается на вход приемника в качестве контрольного сигнала.
Линии задержки на видеочастоте 13, 14 могут быть разработаны, например, на основе искусственных линий, образованных последовательно включенными ячейками на LC элементах [Справочник по радиоэлектронике в трех томах. / Под ред. А.А. Куликовского. - М.: Энергия, 1967. - Том 1. - С.552-553], для расчета параметров которых используются следующие соотношения:
L=βtua/1,1, С=βtua/1,1Rн, n=1,1tпр/βtua,
где L и С - индуктивность и емкость одной ячейки; n - количество ячеек в линии; Rн - сопротивление нагрузки, равное волновому сопротивлению линии; tпр - общее время задержки импульса в линии; tua - активная длительность импульса; β - коэффициент формы импульса (β=0,1…0,2).
Линии задержки 13, 14 имеют амплитудно-частотную характеристику фильтра низких частот с граничной частотой 
. Таким образом, при реализации линии задержки 13, 14 по схеме, приведенной на фиг.5, фильтры низких частот 8, 9 из схемы устройства могут быть исключены.
Вариант устройства встроенного контроля приемопередатчика с линиями задержки на основе искусственных линий, приведенных на фиг.5, функционирует следующим образом.
В режиме «Контроль» часть зондирующего сигнала через первый аттенюатор 6 подается на сигнальный вход квадратурного смесителя 7, на гетеродинный вход которого поступает часть непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика. Полученные квадратурные составляющие огибающей фильтруются и задерживаются в линиях задержки 13, 14. Далее они поступают на квадратурный фазовый модулятор 10, на сигнальный вход которого поступает часть непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика. Полученный на выходе второго аттенюатора 11 квазинепрерывный фазоманипулированный сигнал, задержанный относительно сформированного в передатчике, с помощью отключателя 12 подается на вход приемника в качестве контрольного сигнала.
Практическая реализация устройства встроенного контроля приемопередатчика с приемником прямого преобразования частоты может быть осуществлена с применением существующей электронно-компонентной базы, при этом квадратурный смеситель 7 и квадратурный фазовый модулятор 10 могут выполняться по схеме, аналогичной схеме квадратурного смесителя, используемого в приемнике прямого преобразования частоты, например, квадратурного смесителя Э975.431326.148 производства ФГУП «РНИИРС», г. Ростов-на-Дону, имеющего следующие электрические характеристики: диапазон входных частот - 27-33 ГГц; диапазон выходных частот - 0-1 ГГц; потери преобразования - не более 10 дБ; мощность гетеродина - не более 50 мВт. Аналогом может являться квадратурный модулятор-демодулятор разработки и производства АО «НПП «Салют», г. Нижний Новгород, имеющий следующие электрические характеристики: диапазон рабочих частот - 30-40 ГГц; диапазон выходных частот - 0-5 ГГц; потери преобразования - не более 12,5 дБ; мощность гетеродина - не более 20 мВт.
Минимальная величина времени задержки контрольного сигнала относительно излучаемого может составлять величину, равную длительности одного парциального радиоимпульса, что достаточно для проверки работоспособности приемопередатчика. Величина задержки контрольного сигнала, равная длительности парциального радиоимпульса τПР=10-30 нс, может быть реализована для варианта устройства линиями задержки 13, 14 на основе искусственной линии, выполненной с применением как сосредоточенных LC-элементов, так и в виде распределенной микрополосковой структуры на керамике с большим значением диэлектрической проницаемости (ε>100).
Аттенюаторы КВЧ-диапазона 6, 11 могут быть реализованы на основе аттенюаторов ИУЯД.434821.014, ИУЯД.434821.015 производства ФГУП «РНИИРС», г. Ростов-на-Дону, имеющих следующие электрические характеристики: диапазон частот 0-50 ГГц; величина ослабления 0, 2, 3, 4, 6, 10, 15, 20 дБ; максимальная входная мощность - 25 дБм.
Отключатель 12 может быть реализован на основе переключателя 1×2 Э975.431167.586 производства ФГУП «РНИИРС» г. Ростов-на-Дону, имеющего следующие электрические характеристики: диапазон частот 0,1-40 ГГц; потери пропускания - не более 1,2 дБ; потери запирания - не менее 33 дБ. Аналогом может являться коммутатор 1×1 MD210 производства НПФ «Микран», г. Томск, имеющий следующие электрические характеристики: диапазон частот - 0-40 ГГц; потери пропускания - не более 0,5 дБ; потери запирания - не менее 22 дБ.
Таким образом, предлагаемые способ встроенного контроля приемопередатчика и устройства для его осуществления, по сравнению с прототипами и аналогами, имеют следующие достоинства:
- отсутствие ограничений на диапазон используемых зондирующих частот;
- малые габариты и масса;
- простота реализации;
- высокая надежность.
Применение в приемопередатчике радиовысотомера внутреннего контроля, построенного по принципу формирования контрольного сигнала из части непрерывного сигнала синтезатора частоты передатчика путем фазовой модуляции этой части сигнала демодулированной и задержанной на видеочастоте частью выходного сигнала передатчика, позволяет, по сравнению с прототипом:
- снять ограничения на диапазон используемых зондирующих частот;
- использовать простые в проектировании и изготовлении линии задержки на видеочастоте.
Таким образом, предлагаемый способ встроенного контроля приемопередатчика и устройства для его осуществления обладают существенными преимуществами перед аналогами и прототипами.
1. Способ формирования контрольного сигнала для встроенного контроля приёмопередатчика с использованием квазинепрерывных фазоманипулированных сигналов путём задержки части зондирующего сигнала и подачи контрольного сигнала на вход приёмника, отличающийся тем, что задержку осуществляют на видеочастоте путём квадратурной демодуляции части зондирующего сигнала с помощью непрерывного сигнала с частотой, равной несущей частоте этого сигнала, затем задержки квадратурных составляющих его огибающей и последующей квадратурной фазовой модуляции непрерывного сигнала задержанными квадратурными составляющими огибающей.
2. Устройство встроенного контроля приёмопередатчика с приёмником прямого преобразования частоты, содержащее включённые последовательно первый аттенюатор, квадратурный смеситель, к первому выходу которого подключён первый фильтр низкой частоты, к второму выходу подключён второй фильтр низкой частоты, к гетеродинному входу подключён один из выходов синтезатора частоты передатчика, а также содержащее включенные последовательно квадратурный фазовый модулятор, второй аттенюатор и отключатель, выход которого подключён к входу приёмника, отличающееся тем, что введены две идентичные друг другу линии задержки на видеочастоте таким образом, что вход первой линии задержки подключён к выходу первого фильтра низкой частоты, а выход - к первому входу квадратурного фазового модулятора, вход второй линии задержки подключён к выходу второго фильтра низкой частоты, а выход - к второму входу квадратурного фазового модулятора, при этом сигнальный вход квадратурного фазового модулятора подключён к одному из выходов синтезатора частоты передатчика.
3. Устройство встроенного контроля приёмопередатчика с приёмником прямого преобразования частоты, содержащее включённые последовательно первый аттенюатор, квадратурный смеситель, к гетеродинному входу которого подключён один из выходов синтезатора частоты передатчика, а также содержащее включенные последовательно квадратурный фазовый модулятор, второй аттенюатор и отключатель, выход которого подключён к входу приёмника, отличающееся тем, что введены две идентичные друг другу линии задержки на видеочастоте в виде искусственных линий, образованных последовательно включёнными ячейками на LC элементах, таким образом, что вход первой линии задержки подключён к первому выходу квадратурного смесителя, а выход - к первому входу квадратурного фазового модулятора, вход второй линии задержки подключён к второму выходу квадратурного смесителя, а выход - к второму входу квадратурного фазового модулятора, при этом сигнальный вход квадратурного фазового модулятора подключён к одному из выходов синтезатора частоты передатчика.
