Патент на изобретение №2316889

(54) ЧАСТОТНЫЙ ДЕТЕКТОР РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может использоваться в радиоприемных устройствах и радиоизмерительной аппаратуре. Достигаемый технический результат: повышение чувствительности частотного детектора. Частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры содержит исследуемый автогенератор (1), делители мощности (2) и (9), частотный дискриминатор интерференционного типа (3), фазовращатели (4) и (7), балансный амплитудный модулятор (5), генератор сдвига (6), усилитель СВЧ (8), смесители (10) и (11), усилители промежуточной частоты (12) и (13), фазовые детекторы (14) и (15), усилители низких частот (16) и (17), вычитающее устройство (18). 3 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и предназначено для использования в радиоприемных устройствах и радиоизмерительной технике.

Известен частотный детектор [см. Бычков С.И., Буренин Н.И., Сафаров Р.Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. – М.: Сов. радио, 1962. – С.240], на вход Н плеча которого подается колебание исследуемого автогенератора, к одному из боковых плеч которого подключен фазовращатель и резонатор, а к другому боковому плечу подключен диод-смеситель. Диодный амплитудный модулятор подключен к входу Е плеча двойного волноводного тройника, модуляционный вход которого соединен с выходом генератора сдвига. Выход диода-смесителя через усилитель промежуточной частоты соединен с сигнальным входом фазового детектора, а его опорный вход соединен с выходом генератора сдвига.

Основным недостатком известной схемы является невысокая чувствительность частотного детектора, обусловленная невозможностью реализации глубокой компенсации несущей в самом резонаторе, дополнительными потерями преобразования составляющих фазовых флуктуации, возникающими в процессе преобразования в смесителе – амплитудном модуляторе и существенным мешающим влиянием фликкерных фазовых шумов диодного амплитудного модулятора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры [см. Бычков С.И., Буренин Н.И., Сафаров Р.Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. – М.: Сов. радио, 1962. – С.246], содержащий фазовращатель, а также последовательно соединенные смеситель, выполненный в виде диода-смесителя, и усилитель промежуточной частоты сигнального канала. Известный детектор радиоэлектронной аппаратуры также содержит фазовый детектор с усилителем низких частот на его выходе, кварцевый генератор сдвига и балансный амплитудный модулятор, выполненный в виде диода-модулятора, соединенного волноводом с двойным волноводным тройником. При этом колебание исследуемого автогенератора поступает на вход Н плеча двойного волноводного тройника, к одному боковых плеч которого подключен фазовращатель и через него резонатор, а к другому боковому плечу подключен диод-амплитудный модулятор, играющий роль балансного амплитудного модулятора. Один выход кварцевого генератора сдвига соединен с модуляционным входом диода-амплитудного модулятора, играющего роль балансного амплитудного модулятора, а другой – с опорным входом фазового детектора. Выход плеча Е двойного волноводного тройника подключен к смесительному диоду, который через усилитель промежуточной частоты соединен с сигнальным входом фазового детектора сигнального канала. Этот частотный детектор по признаку того, что на смесительный диод в качестве гетеродинного поступает балансно-модулированное колебание, а преобразованное резонатором колебание непосредственно поступает на смеситель, а также по большинству признаков принят за прототип. Однако недостатком частотного детектора-прототипа является невысокая чувствительность, обусловленная невозможностью реализации глубокой компенсации несущей в самом резонаторе, дополнительными потерями преобразования составляющих фазовых флуктуаций, возникающими в процессе преобразования в смесителе, из-за малой мощности балансно-модулированных колебаний, и существенным мешающим влиянием фликкерных фазовых шумов диодного амплитудного модулятора.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно повышение чувствительности частотного детектора.

Поставленная задача решается тем, что в известный частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры, содержащий фазовращатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор и усилитель низких частот сигнального канала, кварцевый генератор сдвига и балансный амплитудный модулятор, в котором соответствующий выход кварцевого генератора сдвига соединен с опорным входом фазового детектора сигнального канала, выход смесителя сигнального канала через усилитель промежуточной частоты этого канала соединен с сигнальным входом фазового детектора этого канала, выход которого подключен к входу усилителя низких частот этого канала, в отличие от него заявляемый дополнительно содержит входной и выходной делители мощности; также фазовращатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор и усилитель низких частот, составляющие канал компенсации шумов, а также усилитель СВЧ, частотный дискриминатор интерференционного типа и вычитающее устройство. При этом первый выход входного делителя мощности по каналу компенсации шумов соединен через фазовращатель с сигнальным входом смесителя этого канала, гетеродинный вход которого соединен с первым выходом выходного делителя мощности, а выход самого смесителя через усилитель промежуточной частоты канала компенсации шумов соединен с сигнальным входом фазового детектора этого канала, опорный вход которого соединен с соответствующим выходом кварцевого генератора сдвига. При этом выход фазового детектора канала компенсации шумов соединен с входом усилителя низких частот канала компенсации шумов, а выход усилителя низких частот канала компенсации шумов и выход усилителя низких частот сигнального канала соединены с соответствующими входами вычитающего устройства. Второй выход входного делителя мощности через балансный амплитудный модулятор соединен с входом усилителя СВЧ, выход которого подключен к входу выходного делителя мощности, второй выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя сигнального канала. Третий выход входного делителя мощности соединен с входом частотного дискриминатора интерференционного типа, выход которого соединен через фазовращатель с сигнальным входом смесителя сигнального канала. При этом на вход входного делителя мощности поступают колебания от исследуемого автогенератора, на модуляционные входы балансного амплитудного модулятора поступают противофазные напряжения с соответствующих выходов кварцевого генератора сдвига, а выход вычитающего устройства является выходом частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры.

Совокупность заявленных ограничительных и отличительных признаков позволяет решить поставленную техническую задачу – повысить существенно чувствительность частотного детектора.

В заявляемом частотном детекторе радиоэлектронной аппаратуры, благодаря введению входной и выходной делителей мощности, фазовращателя, смесителя, усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и усилителя низких частот, становится возможным выделение шумового напряжения БАМ и усилителя СВЧ на выходе усилителя низких частот канала компенсации шумов. На выходе вычитающего устройства этим шумовым напряжением компенсируется напряжение шумов БАМ и усилителя СВЧ, содержащееся в выходном напряжении усилителя низких частот сигнального канала и являющееся наиболее интенсивными собственными шумами частотного детектора. При этом на выходе вычитающего устройства собственные фазовые шумы смесителей и усилителей промежуточной частоты сигнального канала и канала компенсации шумов вычитаются (не менее 20 дБ) вследствие одновременного детектирования их на двух склонах характеристики фазовых детекторов, отличающихся знаком крутизны. Включение в схему частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры, наряду с перечисленными выше элементами частотного дискриминатора интерференционного типа и усилителя СВЧ, позволяет существенно повысить также эффективность преобразования искомых частотных флуктуаций исследуемого автогенератора в измеряемые флуктуации фазы и эффективность преобразования сигнальных колебаний смесителя сигнального канала. Последнее связано с тем, что высокая эффективность преобразования искомых частотных флуктуаций исследуемого автогенератора в измеряемые флуктуации фазы достигается при глубокой компенсации несущей, т.е. при малом уровне средней мощности, поступающей на сигнальный вход смесителя сигнального канала. Поэтому для эффективного преобразования сигнальных колебаний смесителя сигнального канала предложено подать на гетеродинный вход смесителя сигнального канала среднюю мощность усиленных усилителем СВЧ балансно-модулированных колебаний достаточно большой величины порядка 1-1,5 мВт. При этом уровень собственных шумов частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры определяется только собственными шумами малошумящих фазовых детекторов и усилителей низких частот сигнального канала и канала компенсации шумов. Таким образом, достигается решение поставленной задачи.

На фиг.1 представлена функциональная схема заявляемого частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры с иллюстрацией, действующих в схеме напряжений.

На фиг.2 представлен график преобразований измеряемых синусоидальных изменений фазы в детекторе.

На фиг.3 представлен график преобразований помеховых синусоидальных изменений фазы в детекторе.

Заявляемый частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры имеет следующее устройство. Источником входного в заявляемом устройстве сигнала является исследуемый автогенератор 1, а само устройство содержит: входной делитель мощности 2, частотный дискриминатор интерференционного типа 3, фазовращатель сигнального канала 4, балансный амплитудный модулятор (БАМ) 5, кварцевый генератор сдвига 6, фазовращатель канала компенсации шумов 7, усилитель СВЧ 8, выходной делитель мощности 9, а также смесители 10 и 11, усилители промежуточной частоты 12 и 13, фазовые детекторы 14 и 15, усилители низких частот 16 и 17 соответственно сигнального канала и канала компенсации шумов и вычитающее устройство 18.

Исследуемый автогенератор 1 соединен с входным делителем мощности 2, первый выход (I) которого через фазовращатель 7 канала компенсации шумов соединен с первым входом (I) смесителя 11 этого канала, второй выход (II) входного делителя мощности 2 соединен через БАМ 5 и усилитель СВЧ 8 с входом выходного делителя мощности 9, а два модуляционных входа БАМ 5 соединены с соответствующими выходами (I) противофазных напряжений кварцевого генератора сдвига 6. Выходной делитель мощности 9 первым и вторым выходами (I и II) соединен с гетеродинными входами смесителей соответственно 10 (вход I) и 11 (вход II), выходы которых соединены соответственно с входами усилителей промежуточной частоты 12 и 13 сигнального канала и канала компенсации шумов. Выход усилителя промежуточной частоты 13 канала компенсации шумов соединен с сигнальным входом (I) фазового детектора 15 этого канала, на опорный вход (II) которого поступают колебания кварцевого генератора сдвига 6 с его соответствующего второго выхода (II), а с соответствующего третьего выхода (III) кварцевого генератора сдвига 6 колебания поступают на опорный вход (I) фазового детектора 14 сигнального канала. Третий выход (III) входного делителя мощности 2 через частотный дискриминатор 3, фазовращатель 4 сигнального канала соединен со вторым входом (II) смесителя 10 этого канала. Выход усилителя промежуточной частоты 12 сигнального канала соединен с сигнальным входом (II) фазового детектора этого канала. Выходы фазовых детекторов 14 и 15 обоих каналов через усилители низких частот соответственно 16 и 17 соединены с соответствующими входами вычитающего устройства 18, выход которого имеет отвод за пределы схемы, т.е. является выходом частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры.

Таким образом, сигнальный канал содержит частотный дискриминатор интерференционного типа 3, фазовращатель 4, смеситель 10, усилитель промежуточной частоты 12, фазовый детектор 14 и усилитель низких частот 16.

Канал компенсации шумов содержит фазовращатель 7, смеситель 11, усилитель промежуточной частоты 13, фазовый детектор 15 и усилитель низких частот 17.

Колебания исследуемого автогенератора 1 u(t) через входной делитель мощности 2 поступают на вход частотного дискриминатора интерференционного типа 3, а через фазовращатель 7 на первый вход смесителя 11 канала компенсации шумов и на вход балансного амплитудного модулятора 5.

На модуляционные входы диодного балансного амплитудного модулятора 5 в случае использования модуляторных диодов одной полярности (не показано) поступают противофазные напряжения кварцевого генератора сдвига u_q(t) и -u_q(t).

Колебание исследуемого автогенератора 1, прошедшее частотный дискриминатор 3, содержит дополнительные флуктуации фазы, преобразованные из флуктуации частоты, и после прохождения фазовращателя 4 поступает на второй вход смесителя 10. Напряжения кварцевого генератора сдвига 6 поступают на модуляционные входы амплитудного модулятора 5, модулированное колебание которого через усилитель СВЧ 8 и выходной делитель мощности 9 воздействуют на гетеродинные входы смесителей сигнального и опорного каналов 10 и 11. Смесители 10 и 11 выполнены в составе перемножающих устройств соответственно ПУ 1 и ПУ 2, последовательно соединенных с полосовыми фильтрами ПФ 1 и ПФ 2 (не показано), а фазовые детекторы 14 и 15 – с перемножающими устройствами ПУ 3 и ПУ 4, соединенными последовательно с фильтрами нижних частот ФНЧ 1 и ФНЧ 2 (не показано). Через модуляционные входы БАМ 5 на модуляторные диоды одинаковой полярности (не показано) поступают противофазные напряжения кварцевого генератора сдвига 6 с его соответствующих выходов.

При подаче на сигнальный (II) и гетеродинный (I) входы смесителя сигнального канала 10 напряжений u₁(t) и u₃(t) на его выходе появляются составляющие напряжения разностной промежуточной частоты. Составляющие этого напряжения имеют частоту, равную частоте кварцевого генератора сдвига (далее ГС) 6. Полные фазы преобразованных смесителем 10 составляющих напряжения пропорциональны противофазным измеряемым фазовым флуктуациям, преобразованным частотным дискриминатором 3 из флуктуации частоты исследуемого автогенератора 1, и собственным флуктуациям фазы БАМ 5 и усилителя СВЧ 8, и противоположным фазовым сдвигам ₀ и –₀, вносимым фазовращателем 4.

Напряжение усилителя промежуточной частоты (далее УПЧ) 12, содержащее противофазные измеряемые флуктуации фазы и собственные флуктуации фазы колебания БАМ 5 и усилителя СВЧ 8, и флуктуации фазы ГС 6, смесителя 10 и самого УПЧ 12, поступает на сигнальный вход (II) фазового детектора 14, а на его опорный вход (I) – напряжение с третего выхода (III) кварцевого генератора сдвига 6.

На выходе фазового детектора 14 противофазные фазовые флуктуации, преобразованные частотным дискриминатором 3 из измеряемых флуктуаций частоты исследуемого автогенератора 1, и собственные флуктуации фазы колебания БАМ 5 и усилителя СВЧ 8 складываются в фазе (см. фиг.2), а собственные фазовые шумы кварцевого генератора сдвига 6 и вносимые собственные синфазные фазовые шумы смесителя 10 и усилителей промежуточной частоты 12 – вычитаются (см. фиг.3).

На фиг.2 наглядно представлен график преобразования измеряемых противофазных синусоидальных изменений фазы, происходящих в фазовом детекторе, описывающий новый механизм преобразования измеряемых изменений фаз входных напряжений в нем. С целью упрощения рисунков символами (t) и –(t) обозначены противофазные синусоидальные вариации фазы, а не изображения флуктуации фазы, преобразованных частотным дискриминатором из частотных флуктуаций исследуемого автогенератора 1, и фазовых флуктуаций БАМ 5 и усилителя СВЧ 8. В фазовом детекторе 14 противофазные фазовые вариации (t) и –(t) вызывают вариации напряжений фазового детектора 14 u(t), суммирующиеся на его выходе.

На фиг.3 наглядно представлен график преобразования помеховых синфазных синусоидальных изменений фазы, происходящих в фазовом детекторе, описывающий новый механизм преобразования помеховых синфазных изменений фазы (фазовых шумов смесителя 10 и усилителя промежуточной частоты 12) в нем. С целью упрощения рисунков символами (t) обозначены синфазные помеховые синусоидальные вариации фазы, а не изображения синфазных фазовых шумов смесителя 10 и усилителя промежуточной частоты 12. В фазовом детекторе 14 синфазные фазовые вариации (t) вызывают вариации напряжений фазового детектора u(t), вычитающиеся на его выходе.

Таким образом, на выходе фазового детектора 14 возникает напряжение, пропорциональное флуктуациям разности фаз его входных напряжений, т.е. измеряемым флуктуациям фазы (частоты) и собственным флуктуациям фазы БАМ 5, усилителя СВЧ 8 и шумам самого фазового детектора 14. Это напряжение усиливается усилителем низких частот 16, вносящим свои шумы, и суммарное напряжение поступает на сигнальный вход (II) вычитающего устройства 18. При подаче на сигнальный (1) и гетеродинный (II) входы смесителя 11 канала компенсации шумов напряжений u₂(t) и u₃(t) на его выходе появляются составляющие напряжения разностной промежуточной частоты, равной частоте кварцевого генератора сдвига 6. Это напряжение, усиленное в УПЧ 13, и содержащее противофазные собственные флуктуации фазы БАМ 5 и усилителя СВЧ 8, и фазовые флуктуации ГС 6, смесителя 11 и УПЧ 13, поступает на сигнальный вход (I) вход фазового детектора 15, а на его опорный вход (II) – напряжение с выхода II кварцевого генератора сдвига 6.

На выходе фазового детектора 15 противофазные фазовые флуктуации колебания БАМ 5 и усилителя СВЧ 8 складываются в фазе (см. фиг.2), а собственные фазовые шумы кварцевого генератора сдвига 6 и вносимые синфазные собственные фазовые шумы смесителя 11 и усилителя промежуточной частоты 13 – вычитаются (см. фиг.3).

Таким образом, на выходе фазового детектора 15 канала компенсации шумов возникает напряжение, пропорциональное флуктуациям разности фаз его входных напряжений, т.е. собственным флуктуациям фазы БАМ 5, усилителя СВЧ 8 и шумам самого фазового детектора 15. Это напряжение усиливается усилителем низких частот 17, вносящим свои шумы, и суммарное напряжение поступает на сигнальный вход (I) вычитающего устройства 18.

Таким образом, напряжения шумов с выходов сигнального канала и канала компенсации шумов поступают на входы вычитающего устройства 18. Коэффициенты усиления усилителей низких частот 16 и 17 подбирают по минимуму показания выходного индикатора анализатора спектра (на чертеже не показано), подключаемого к выходу вычитающего устройства 18, измеряющего разность напряжения шумов сигнального канала и канала компенсации шумов. При этом напряжение на выходе вычитающего устройства 18 частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры прямо пропорционально измеряемым частотным (фазовым) флуктуациям и собственным его шумам, состоящим только из собственных шумов малошумящих фазовых детекторов 14 и 15 и усилителей низких частот 16 и 17.

Оптимальному режиму фазового детектирования (см. фиг.2 и 3) как в сигнальном канале, так и в канале компенсации шумов соответствует фазовый сдвиг ₀=±/2. В этом режиме отсутствует детектирование флуктуации амплитуды фазовым детектором. Поэтому при работе частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры влиянием флуктуации амплитуды его функциональных узлов, возможно, пренебречь (проявляются лишь, если ₀±/2).

Заявляемый частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры используют следующим образом.

Включают исследуемый автогенератор 1 и кварцевый генератор сдвига 6.

Напряжения исследуемого автогенератора 1 u(t) и напряжение кварцевого генератора сдвига 6 u_q(t) на их выходах представим в следующем виде:

Формула изобретения

Частотный детектор радиоэлектронной аппаратуры, содержащий фазовращатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор и усилитель низких частот сигнального канала, кварцевый генератор сдвига и балансный амплитудный модулятор, соответствующий выход кварцевого генератора сдвига соединен с опорным входом фазового детектора сигнального канала, выход смесителя сигнального канала через усилитель промежуточной частоты этого канала соединен с сигнальным входом фазового детектора этого канала, выход которого подключен к входу усилителя низких частот этого канала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит входной и выходной делители мощности, также фазовращатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, фазовый детектор и усилитель низких частот, составляющие канал компенсации шумов, а также усилитель СВЧ, частотный дискриминатор интерференционного типа и вычитающее устройство, при этом соответствующий выход входного делителя мощности по каналу компенсации шумов соединен через фазовращатель с сигнальным входом смесителя этого канала, гетеродинный вход которого соединен с соответствующим выходом выходного делителя мощности, а выход смесителя через усилитель промежуточной частоты канала компенсации шумов соединен с сигнальным входом фазового детектора этого канала, опорный вход которого соединен с соответствующим выходом кварцевого генератора сдвига, при этом выход фазового детектора канала компенсации шумов соединен с входом усилителя низких частот канала компенсации шумов, а выход усилителя низких частот канала компенсации шумов и выход усилителя низких частот сигнального канала соединены с соответствующими входами вычитающего устройства, второй выход входного делителя мощности через балансный амплитудный модулятор соединен с входом усилителя СВЧ, выход которого подключен к входу выходного делителя мощности, второй выход которого соединен с гетеродинным входом смесителя сигнального канала, третий выход входного делителя мощности соединен с входом частотного дискриминатора интерференционного типа, выход которого соединен через фазовращатель с сигнальным входом смесителя сигнального канала, при этом на вход входного делителя мощности поступают колебания от исследуемого автогенератора, на модуляционные входы балансного амплитудного модулятора поступают противофазные напряжения с соответствующих выходов кварцевого генератора сдвига, а выход вычитающего устройства является выходом частотного детектора радиоэлектронной аппаратуры.

РИСУНКИ