Патент на изобретение №2328817

(54) УСТРОЙСТВО МОДУЛЯЦИИ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования фазоманипулированных, амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-фазоманипулированных сигналов. Достигаемый технический результат- обеспечение манипуляции амплитуды и фазы и усиление амплитуды проходного сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях управляемого элемента на заданном количестве фиксированных частот в широкой полосе частот. Устройство модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов содержит источник многочастотных сигналов, источник низкочастотного управляющего сигнала, управляемый элемент, выполненный в виде трехполюсного управляемого элемента, реактивный четырехполюсник, выполненный в виде несимметричного П-образного соединения трех реактивных двухполюсников, и нагрузку, при этом реактивные проводимости двухполюсников на каждой из трех заданных частот выбраны из условия обеспечения требуемых коэффициентов усиления, отношений модулей и разностей фаз коэффициентов передачи на трех заданных частотах интерполяции требуемых амплитудночастотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента с помощью приведенных математических выражений, а также значения параметров реактивных элементов двухполюсников выбраны с помощью приведенных математических выражений. 4 ил., /2, /4, причем для разделения входного и отраженного сигнала используют циркулятор [Радиопередающие устройства. / Под редакцией О.А.Челнокова. – М.: Радио и связь, 1982, стр.152-156]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из циркулятора, первый вход которого подключен к источнику сигнала, третий вход подключен к нагрузке, а второй подключен к отрезку разомкнутой линии передачи длиной /4 в начале которой включен p-i-n диод.

Если диод закрыт, то от сечения, в котором он включен, происходит отражение, отраженная волна попадает в нагрузку с сопротивлением 50 Ом. Если диод открыт, то отражение происходит от конца линии. Фаза отраженного сигнала в одном состоянии диода отличается от фазы отраженного сигнала в другом состоянии диода на . При необходимости изменения разности фаз длина отрезка линии передачи изменяется соответствующим образом.

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

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

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

Недостатком является то что, как и первый способ, и устройство манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы и не усиливают амплитуду проходного сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях.

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

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

Недостатком является то, что, как и в первых двух способах и устройствах манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы и усиление амплитуды проходного сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях.

Техническим результатом изобретения является обеспечение манипуляции амплитуды и фазы и усиление амплитуды проходного сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях управляемого элемента на заданном количестве фиксированных частот в широкой полосе частот при включении манипулятора между источником и нагрузкой с комплексными сопротивлениями.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов, состоящем из источника многочастотных сигналов, управляемого элемента, реактивного четырехполюсника, выполненного из двухполюсников, состоящих количества реактивных элементов, не меньшего количества заданных частот интерполяции требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, подключенного к источнику низкочастотного управляющего сигнала, параметры реактивных элементов выбраны из условия обеспечения требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, дополнительно управляемый элемент выбран в виде трехполюсного управляемого элемента, управляемый электрод которого подключен к источнику низкочастотного управляющего сигнала, трехполюсный управляемый элемент включен между реактивным четырехполюсником и нагрузкой для проходных модулированных по амплитуде и фазе многочастотных сигналов с комплексными проводимостями на трех заданных частотах, реактивный четырехполюсник выполнен в виде несимметричного П-образного соединения трех реактивных двухполюсников, двухполюсники с реактивными проводимостями b_1k, b_2k, b_3k соединены параллельно с индуктивностями L₀₁, L₀₂, L₀₃ соответственно, проводимости b_1k, b_2k, b_3k сформированы из последовательного контура L_n, C_n, параллельно соединенного с емкостью C_0n, при этом реактивные проводимости двухполюсников на каждой из трех заданных частот _k выбраны из условия обеспечения требуемых, в общем случае различных, коэффициентов усиления, отношений модулей и разностей фаз коэффициентов передачи на трех заданных частотах интерполяции требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента с помощью следующих математических выражений: b_1k=b₁₁-b₂₁; b_2k=b₂₁; b_3k=-(b₂₂+b₂₁), а значения параметров реактивных элементов двухполюсников выбраны с помощью математических выражений

_k)-g^Im_kcos(_k);

x=g_og_н-b_ob_н; y=g_ob_н+b_og_н;

_21k – заданные отношения модулей и разности фаз коэффициентов передачи в двух состояниях управляемого элемента на трех частотах; b₁₁, b₂₁, b₂₂ – численные значения элементов матрицы проводимостей четырехполюсника; m_k, _k – заданные значения коэффициентов усиления и оптимальные значения фаз коэффициентов передачи в одном из состояний управляемого трехполюсного элемента на k частотах; индуктивности L_0n выбираются произвольно.

На фиг.1 показана схема устройства модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов (прототип).

На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг.3 приведена схема четырехполюсника в виде П-образного соединения трех двухполюсников, входящая в предлагаемое устройство.

На фиг.4 приведена схема предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов проходного сигнала для случая k=1, 2, 3 (количество частот интерполяции).

Устройство-прототип содержит циркулятор 1 с входным 2, нагрузочным 3 и выходным 4 плечами, три двухполюсника с реактивными сопротивлениями х_1k – 5, x_2k – 6, x_3k – 7, соединенных между собой по Т-схеме, а также полупроводниковый диод 8, подключенный параллельно к источнику сигнала модуляции 9. Двухполюсник 7 подключен к диоду 8, двухполюсник 5 – к нагрузочному плечу 3 циркулятора 1.

Принцип действия устройства манипуляции параметров сигнала (прототип) состоит в следующем.

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

Высокочастотная часть структурной схемы предлагаемого устройства (фиг.2) состоит каскадно-соединенных источника сигнала 10, реактивного четырехполюсника 11, трехполюсного управляемого элемента 8 и нагрузки 12.

Предлагаемое устройство модуляции параметров многочастотных сигнала (фиг.4) содержит источник многочастотных сигналов 10, реактивный четырехполюсник 11 (фиг.3), выполненный из трех двухполюсников 5, 6, 7 с реактивными проводимостями Y_1k, Y_2k, Y_3k, соединенных между собой по несимметричной П-схеме, а также управляемый трехполюсный элемент 8, подключенный к источнику низкочастотного управляющего сигнала (сигнала модуляции) 9, двухполюсник 5 подключен к источнику многочастотных сигналов 10. Двухполюсник 7 подключен к одному из электродов (управляемому) управляемого трехполюсного элемента 8. Второй из электродов элемента 8 подключен к нагрузке 12. Третий электрод элемента 8 является общим, то есть подключен к заземленной шине. Возможны три варианта включения управляемого трехполюсного элемента (транзистора) – с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Это устройство функционирует следующим образом. Благодаря специальному выбору количества реактивных элементов двухполюсников 5, 6, 7 (фиг.3) схемы их соединений и значений их параметров при переключении управляющего (модулирующего) сигнала на управляемом трехполюсном элементе будет происходить манипуляция параметров проходного сигналов одновременно на заданном количестве частот в общем случае различными законами двухуровневого изменения амплитуды и фазы. Это означает, что на этих частотах реализуются заданные значения, в общем случае различные, отношения модулей, разностей фаз коэффициентов передачи и коэффициентов усиления. При непрерывном изменении амплитуды управляющего сигнала будет реализована модуляция проходного сигналов по амплитуде и фазе в общем случае по произвольным законам.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Пусть комплексные проводимости источника сигнала y_o=g_o+jb_o, а также матрицы проводимостей транзистора в двух состояниях известны, причем

где ; ; ; .

Матрице проводимостей (1) соответствует классическая матрица передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. – М.: Связь, 1965. 40 с.]

₂₁, в пределах которой подкоренное выражение в (9) остается положительной, т.е. обеспечивается физическая реализуемость, является область, которая удовлетворяет условию: – D>0 или:

которое может быть приведено к следующему виду:

₂₁:

2 элементов, найти ее матицу проводимостей, элементы которой выражены через параметры схемы реактивного четырехполюсника, и подставить их в (9). Сформулированная таким образом система уравнений должна быть решена относительно выбранных двух параметров. Значения остальных М-2 параметров могут быть отнесены к проводимости y_o и заданы произвольно. После использования описанного алгоритма будет реализована двухуровневая манипуляция амплитуды и фазы проходного сигнала с заданными отношениями модулей и разностями фаз коэффициентов передачи транзисторного манипулятора. Однако абсолютные значения коэффициентов усиления при этом оказываются неконтролируемыми, т.е. могут быть какими угодно. Для того чтобы обеспечить заданный коэффициент усиления в одном из состояний транзистора необходимо решить следующую задачу.

Пусть, как и в предыдущей задаче, комплексные проводимости источника сигнала y_o=g_o+jb_o, а также матрицы проводимостей транзистора в одном из состояний известны, причем:

где

Матрице проводимостей (17) соответствует классическая матрица передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. – М.: Связь, 1965. 40 с.]

₂₁ коэффициентов усиления (передачи) на фиксированной частоте в двух состояниях управляемого трехполюсного элемента необходимо, чтобы реактивный четырехполюсник содержал в себе не менее трех независимых реактивных элементов. Значения параметров этих элементов должны находится путем решения системы трех алгебраических уравнений, формируем на основе выражений (9) и (30). Для этого необходимо выбрать схему четырехполюсника из не менее чем 3-х независимых реактивных элементов и найти матрицу проводимостей этой схемы. Полученные таким образом элементы матрицы проводимостей, выраженные через конкретные параметры реактивных элементов необходимо подставить в (9), (30) и решить полученную систему уравнений относительно выбранных трех параметров. Значения остальных параметров могут быть выбраны произвольно или исходя из каких либо других физических соображений, например из условия обеспечения физической реализуемости.

На основе использования описанного алгоритма для несимметричной схемы реактивного четырехполюсника в виде П-образного соединения трех двухполюсников (фиг.3) для усиливающего манипулятора получены математические выражения для определения значений проводимостей b_1k, b_2k, b_3k двухполюсников. Здесь же приведена матрица проводимостей такого четырехполюсника

_k выбраны из условия обеспечения требуемых, в общем случае различных, коэффициентов усиления, отношений модулей и разностей фаз коэффициентов передачи на трех заданных частотах интерполяции требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента с помощью следующих математических выражений:

b_1k=b₁₁-b₂₁, b_2k=b₂₁; b_3k=-(b₂₂+b₂₁), а значения параметров реактивных элементов двухполюсников выбраны с помощью математических выражений:

_k)-g^Im_kcos(_k);

x=g_og_н-b_ob_н; y=g_ob_н+b_og_н;

_21k – заданные отношения модулей и разности фаз коэффициентов передачи в двух состояниях управляемого элемента на трех частотах; b₁₁, b₂₁, b₂₂ – численные значения элементов матрицы проводимостей четырехполюсника; m_k, _k – заданные значения коэффициентов усиления и оптимальные значения фаз коэффициентов передачи в одном из состояний управляемого трехполюсного элемента на k частотах; индуктивности Z_0n – выбираются произвольно.

РИСУНКИ