способ амплитудной и фазовой модуляции свч-сигнала и устройство для реализации этого способа

Формула изобретения

1. Способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, основанный на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н10, отличающийся тем, что возбуждают ТЕМ волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180 путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.

2. Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, содержащее входной прямоугольный волновод, управляющие полупроводниковые приборы, отличающееся тем, что щелевая диафрагма с резонансными узлами связи и управляющими полупроводниковыми приборами, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи, установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, размещенной в согласующем волноводе длиной l~(0,25-0,5)_g и выходном прямоугольном волноводе, центральный проводник симметричной полосковой линии подключен к центру щелевой диафрагмы, разделяющему резонансные узлы связи симметрично по разные стороны от него, причем широкая стенка выходного волновода скачкообразно уменьшена от согласующего волновода до величины

,

где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно;

_о, _g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно;

- толщина подложки;

- диэлектрическая проницаемость подложки.

3. Устройство для амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала по п.2, отличающееся тем, что в резонансных узлах связи щелевой диафрагмы выполнены углубления, в которых закреплены диэлектрические пластины с контактными площадками, причем боковые контактные площадки связаны с однополярными электродами управляющих полупроводниковых приборов и подключены к корпусу щелевой диафрагмы, а центральная соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов и связана с устройством управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам амплитудной и фазовой модуляции СВЧ диапазона, и может быть использовано для формирования сигналов сложной формы (например, возбуждения ТЕМ-волны) и модуляции в различных трактах СВЧ - измерительных, передающих, приемных и для реализации новых видов РЛС.

Известны способы амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала (Бова Н.Т. Устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1973, с.77-94, 129-134. Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М.: Связь; 1972. СВЧ-устройства на полупроводниковых диодах / Под. ред. И.В.Мальского. - М.: Советское радио, 1969. Гвоздев В.И. Объемные интегральные схемы. - М.: Наука, 1985. Гассонов А.Г. Твердотельные устройства СВЧ. - М.: Радио и связь, 1988).

Недостатками известных способов являются:

- большие (до 5-6) фазовые ошибки в сравнительно узком, 8-10% от f₀ диапазона рабочих частот для фазовой модуляции;

- незначительная глубина амплитудной модуляции на одном регулирующем элементе порядка 20-25 дБ в полосе частот 8-10% от f₀ для амплитудной модуляции;

- невозможность осуществления амплитудной и фазовой модуляции в одном элементе;

- достаточно большие вносимые потери при фазовой модуляции.

Использование известных способов и устройств для формирования СВЧ-сигнала, при которых осуществляется одновременная амплитудная и фазовая модуляция, приводят к существенному снижению тактико-технических параметров аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ фазовой модуляции СВЧ-сигнала (а.с. SU №580603, МПК Н 01 Р 01/185, 07.06.1976), основанный на дискретном переключении напряжения смещения двух управляющих полупроводниковых приборов фазосдвигающей цепи, которая реализована в виде двух резонаторов, связанных между собой С- и S-образными петлями связи, при дискретном изменении направления силовых линий электромагнитного поля в петлях связи возбуждаемого резонатора с изменением сдвига фазы на 180.

В известном техническом решении осуществлено искусственное создание стоячих волн в резонаторах и возбуждение одного из них путем использования петель связи С- и S-вида.

Такое использование фазосдвигающей цепи существенно сужает полосу пропускания и увеличивает размеры устройства, а также вносит паразитную амплитудную модуляцию за счет различия потерь в режиме 0 и (при переключении фазы).

Известны волноводные регулирующие устройства СВЧ (а.с. SU №535635, МПК Н 01 Р 01/15, 1969, Коммутирующий модуль; а.с. SU №1052113, МПК Н 01 Р 01/15, 1976, СВЧ-выключатель; патент US №3478284, НКИ 333-98, 1969), содержащие прямоугольный волновод, щелевую диафрагму, управляемые полупроводниковые диоды, закрепленные внутри резонансной щели с образованием структуры nipin или pinip, к центральной схеме которой подключено устройство управления.

Недостатком этих технических решений является то, что управляемые полупроводниковые диоды устанавливаются внутри резонансной щели в области максимальной напряженности поля, а это приводит к возрастанию прямых потерь и сужению полосы пропускания, а закрепление управляющих полупроводниковых диодов внутри щели ослабляет прочность элемента в особенности при климатических и механических воздействиях.

Известны устройства для возбуждения ТЕМ-волны (патент US №4453142, МПК Н 01 Р 05/107, 1984, Устройства для возбуждения ТЕМ-волны; заявка ЕР №0094973, МПК Н 01 Р 05/107, 1983, Устройства для возбуждения ТЕМ-волны; заявка JP №51645/81, МПК Н 01 Р 05/107, Волноводно-микропосковый переход; Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1975, вып. 2, с.76-80, Будаков Б.Н. Измерительные устройства для СВЧ интегральных схем).

Недостатками известных решений являются:

- низкая точность установки фазы в широкой полосе частот;

- при переключении полупроводниковых диодов наблюдается изменение вносимых потерь из-за различных параметров отпирания полупроводниковых диодов, установленных в резонансной щели с максимальным напряжением электрического поля Е.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является СВЧ фазовый манипулятор (А.с. SU №1152055, МПК Н 01 Р 01/185, 26.12.1983), содержащий входной и выходной прямоугольные волноводы, двухканальный делитель мощности, в выходных плечах которого включены первый и второй полупроводниковые диоды, причем первая широкая стенка выходного волновода совмещена с узкой стенкой входного волновода, двухканальный делитель мощности выполнен в виде металлической перегородки, соединенной узкими стенками входного волновода и расположенной на одинаковом расстоянии от его широких стенок, первый и второй полупроводниковые диоды размещены в плоскости поперечного сечения входного волновода, при этом их положительные электроды соединены с противоположными широкими стенками входного волновода, а к отрицательным электродам подключены проводники, проходящие через отверстия в совмещенных стенках входного и выходного волноводов и соединенные с второй широкой стенкой выходного волновода.

Недостатком известного изобретения является узкая полоса частот из-за предложенной небалансной схемы решения, кроме того, использование большого количества элементов в цепи возбуждения, что вызывает естественно рассогласование и ошибки, а также громоздкая конструкция, а использование большой длины проводников, в сочетании со сложностью установки полупроводниковых диодов, приводит к значительным ошибкам.

Технический результат предлагаемого решения заключается в осуществлении одновременной фазовой и амплитудной модуляции на одном элементе управления, исключении фазовых ошибок и уменьшении вносимых потерь.

Технический результат достигается тем, что способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала основан на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н₁₀, в котором возбуждают ТЕМ-волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180 путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.

Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала содержит входной прямоугольный волновод, щелевую диафрагму с резонансными узлами связи и управляющими полупроводниковыми приборами, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи, причем щелевая диафрагма установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, размещенной в согласующем волноводе длиной l~(0,25-0,5)_g и выходном прямоугольном волноводе, центральный проводник симметричной полосковой линии подключен к центру щелевой диафрагмы, разделяющего резонансные узлы связи симметрично по разные стороны от него, причем широкая стенка выходного волновода скачкообразно уменьшена от согласующего волновода до величины , где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, _o, _g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно, - толщина подложки, s - диэлектрическая проницаемость подложки.

Причем в резонансных узлах связи щелевой диафрагмы выполнены углубления, в которых закреплены диэлектрические пластины с контактными площадками, при этом боковые контактные площадки связаны с однополярными электродами управляющих полупроводниковых приборов и подключены к корпусу щелевой диафрагмы, а центральная соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов и связана с устройством управления.

Сущность изобретения заключается в осуществлении фазовой модуляции за счет естественного различия структуры электромагнитных полей входного прямоугольного волновода с волной Н₁₀ и симметричной полосковой линии с волной ТЕМ. Волна Н₁₀ входного прямоугольного волновода имеет поле Е, ориентированное строго от одной широкой стенки волновода до другой, в то время как поле Е ТЕМ-волны симметричной полосковой линии над центральным проводником и под ним имеет противоположную ориентацию, таким образом, пропуская волну Н₁₀ из входного волновода через резонансные узлы связи (в которых для получения на управляющих полупроводниковых приборах двух резко отличающихся значений импеданса одно соответствует состоянию пропускания, а другое - состоянию запирания), расположенные над и под центральным проводником симметричной полосковой линии, получают высокоточный фазовый сдвиг 0-.

Точность фазового сдвига, как и разность потерь в двух фазовых состояниях, определяется практически только обеспечением соблюдения симметрии резонансных узлов связи и полосковой линии.

Для отсечки волны Н₁₀ на выходе устройства широкая стенка выходного волновода скачкообразно изменяется до величины , при этом между щелевой диафрагмой и выходным волноводом расположен согласующий волновод длиной l~(0,25-0,5)_g с симметричной полосковой линией, где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, _о, _g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно, - толщина подложки, - диэлектрическая проницаемость подложки.

Симметричная полосковая линия может быть выполнена как на диэлектрической подложке, так и без нее.

В согласующем волноводе с симметричной полосковой линией распространяется как волна Н₁₀, так и ТЕМ-волна, при этом после скачкообразного сужения волновода ТЕМ-волна проходит практически без изменения, а волна Н₁₀ полностью отражается, согласовывая часть электромагнитной волны, отраженной от щелевой диафрагмы, причем согласование и потери устройства определяются выбором толщины щелевой диафрагмы, размерами резонансных щелей, типом полупроводниковых приборов и выбором длины согласующего волновода.

Кроме того, для снижения активных потерь управляющие полупроводниковые приборы вынесены из резонансных узлов связи щелевой диафрагмы (область максимальной напряженности электромагнитного поля) и помещены в углубления, в которых закреплены.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями (Приложение №1) показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Сущность предлагаемого технического решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

На фиг.1а показана схема формирования фазовой манипуляции, а на фиг.1б - схема формирования амплитудной модуляции. На фиг.2 изображено устройство реализации данного способа.

Способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала основан на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны ₁₀, возбуждают ТЕМ-волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180 путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.

Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала содержит входной 1 и выходной 2 прямоугольные волноводы, щелевую диафрагму 4 с резонансными узлами связи 5 и управляющими полупроводниковыми приборами 6^1,2,3,4, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи 5, причем щелевая диафрагма установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода 1 и симметричной полосковой линии 3 выходного прямоугольного волновода 2, центральный проводник 7 симметричной полосковой линии 3 подключен к центру щелевой диафрагмы 4, разделяющего резонансные узлы связи 5 симметрично по разные стороны от него, причем на расстоянии l~(0,25-0,5)_g от щелевой диафрагмы широкая стенка 8 выходного волновода 2 скачкообразно уменьшена до величины , где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, _о, _g - длина волны в свободном пространстве и в выходном волноводе соответственно, - толщина подложки, - диэлектрическая проницаемость подложки.

Причем в резонансных узлах связи 5 щелевой диафрагмы 4 выполнены углубления 12, в которых закреплены диэлектрические пластины 9 с контактными площадками 10^1,2,3, при этом боковые контактные площадки 10^1,3 связаны с однополдрными электродами управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 и подключены к корпусу щелевой диафрагмы 4, а центральная 10² соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 и связана с устройством управления 11.

Работа устройства амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, реализующего способ, осуществляется следующим образом.

Падающая волна типа Н₁₀, вектор Е которой направлен вверх, распространяется по входному прямоугольному волноводу 1 и возбуждает резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4, в котором на управляющие полупроводниковые приборы 6^{1,2 и 3,4} подано напряжение смещения в противофазе. На фиг.1 показано: индекс Х соответствует открытым управляющим полупроводниковым приборам 6^1,2, O - закрытым управляющим полупроводниковым приборам 6^3,4 в первом полупериоде сигнала, Х и O - соответственно их изменение во втором полупериоде. В первом полупериоде резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 возбуждает СВЧ-волну типа ТЕМ в симметричной полосковой линии 3 - с вектором Е, соответствующим образом ориентированным (векторы, выполненные сплошными линиями), во втором полупериоде после перемещения знаков напряжения (обозначенный как Х и O), направление Е составляющих в симметричной полосковой линии 3 изменяется на противоположное (векторы, выполненные разрывными линиями). В этот момент фаза СВЧ-сигнала изменяется на 180.

Пример выполнения амплитудной модуляции проиллюстрирован на фиг.1б. Падающая СВЧ-волна по входному прямоугольному волноводу 1 (волна типа Н₁₀) направляется в резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4. В первый полупериод на резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 подается напряжение и возбуждается волна ТЕМ в симметричной полосковой линии 3, как и описанный ранее режим фазовой модуляции. В следующем временном отрезке на управляющие полупроводниковые приборы ^1,2,3,4 подается одинаковое напряжение - режим O-O. В этот момент времени резонансные узлы связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4 возбуждают в симметричной полосковой линии 3 парциальные волны 7 - разрывные линии. Волна в таком виде в симметричной полосковой линии 3 распространяться не может и на выход не поступает за счет внесения в тракт больших затуханий, таким образом, реализуется режим амплитудной модуляции с максимальным затуханием.

Режим совмещения амплитудной и фазовой модуляции аналогичен векторной схеме, изображенной на фиг.1а, и отличается величиной напряжения положительного сигнала (отрицательного смещения) в закрытом (не пропускающем волну СВЧ) резонансном узле связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4. Уменьшение напряжения и соответственно тока (J_см) открывает и резонансный узел связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4, возбуждающий парциальные волны в противофазе. Происходит частичное отражение (в зависимости от J_см) СВЧ-волны, соответствующее промежуточному значению _зi переключения значений на управляющих полупроводниковых приборах при сохранении абсолютных величин напряжения смещения, изменяющих фазу на 180 при установленном значении _зi. Изменяя во времени плавно или дискретно величину J_см от нуля до тока насыщения, реализуют совмещение значений фазовой и амплитудной модуляции. Причем в режиме амплитудной модуляции может осуществляться как плавное изменение процесса затухания, так и дискретное.

Совокупность свойств изобретения проиллюстрирована в таблице, которая составлена из расчета прямого включения управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2, - при положительном смещении на управляющих полупроводниковых приборах 6^1,2 течет ток J_см, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2 при этом падает до единиц Ом, а резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 с этими управляющими полупроводниковыми приборами 6^3,4 СВЧ-волну не пропускает. При отрицательном смещении сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2 велико, и волна проходит через резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 на выход с начальными потерями и взаимным фазовым сдвигом. В таблице приведены следующие обозначения:

+ - течет ток положительного смешения, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 диода минимально;

- - подано обратное смещение, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 максимально;

+ - ток положительного смещения регулируется от нуля до J_max.

_n - режим начальных потерь СВЧ;

_з - режим максимально вносимых затуханий;

_зi - режим регулярно вносимых затуханий;

- режим регулярной фазы.

На управляющие полупроводниковые приборы 6^1,2 подается отрицательное напряжение смещения, а на управляющие полупроводниковые приборы 6^3,4 - положительное напряжение смещения, в этот момент СВЧ-волна проходит на симметричную полосковую линию 6 выходного прямоугольного волновода 2, где резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 и возбуждает в ней волну с начальной ориентацией вектора напряженности электрического поля Е, однако при изменении знака напряжения смещения на управляющие полупроводниковые приборы 6^{1,2 и 3,4} волна в выходном прямоугольном волноводе 2 на симметричной полосковой линии 3 имеет противоположную ориентацию вектора напряженности электрического поля Е, таким образом, осуществляется изменение фазы распространения волны на 180.

Изобретение обеспечивает новые функциональные возможности по реализации как режимов амплитудной и фазовой модуляции, так и совместного выполнения амплитудно-фазовой модуляции, обеспечивая следующие достоинства:

- высокая точность реализации режима фазовой модуляции, вытекающая на чрезвычайно малых (<1,0-1,5) фазовых ошибок и практически отсутствием паразитной амплитудной модуляции (<0,05-0,1 дБ);

- глубокое подавление несущей в широком диапазоне частот модуляции (до 30 МГц). Изменение подавления несущей в режиме фазовой модуляции составляет 40 дБ и выше;

- возможность реализации более высокого (до 35-40 дБ) значения вносимого затухания.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, позволяет существенно упростить его по сравнению с прототипом, обеспечивает малые потери в СВЧ-тракте (_n<0,3-0,5 дБ), значительно расширяет полосу пропускания, а также обеспечивает высокое быстродействие.