устройство модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов

Формула изобретения

Устройство модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов, состоящее из источника многочастотного сигнала, подключенного ко входу неуправляемой части, выполненной в виде реактивного четырехполюсника, управляемой части, подключенной параллельно к источнику низкочастотного управляющего сигнала, отличающееся тем, что управляемая часть выполнена в виде трехполюсного управляемого элемента, подключенного к выходу неуправляемой части, реактивный четырехполюсник выполнен в виде симметричной мостовой схемы соединения четырех реактивных двухполюсников, параллельно трехполюсному управляемому элементу включена нагрузка для проходного высокочастотного сигнала с произвольными импедансами на трех заданных частотах, а двухполюсники с реактивными сопротивлениями X _1k, Х_2k, Х_3k , X_4k симметричной мостовой схемы выполнены из последовательного контура L_n, C _n, параллельно соединенного с индуктивностью L _0n, при этом реактивные сопротивления двухполюсников на каждой из трех заданных частот _k(k=1,2,3) выбраны с помощью математических выражений, полученных из условия обеспечения заданных отношений модулей и разностей фаз коэффициентов передачи на трех заданных частотах.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования требуемых АЧХ и ФЧХ фазоманипулированных, амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-фазоманипулированных сигналов путем интерполяции на заданном количестве частот.

Известен способ манипуляции (модуляции) параметров отраженного сигнала, состоящий в том, что входное сопротивление устройства манипуляции изменяют таким образом, что коэффициент отражения этого устройства изменяет фазу на , /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, вначале 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 значения 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 к замкнутой (нулевое сопротивление) линии передачи. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала. Основным недостатком является отсутствие возможности усиления сигнала.

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, C может быть обеспечена 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ [Головков А.А. Устройство для модуляции отраженного сигнала. Авт. св-во №1800579 от 09.10.1992 года], состоящий в том, что неуправляемую часть (согласующе-фильтрующее устройство) формируют 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 симметричной мостовой схемы 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.

Техническим результатом изобретения является обеспечение манипуляции амплитуды и фазы и усиление амплитуды проходного сигнала на заданном количестве фиксированных частот при включении манипулятора между произвольными сопротивлениями.

Указанный результат достигается тем, что в устройстве реализации способа модуляции амплитуды и фазы многочастотных сигналов, состоящем из источника высокочастотного сигнала, неуправляемой части, выполненной в виде реактивного четырехполюсника, управляемой части, подключенной параллельно к источнику низкочастотного управляющего сигнала, дополнительно управляемая часть выполнена в виде трехполюсного управляемого элемента, включаемого между неуправляемой частью и нагрузкой, реактивный четырехполюсник выполнен в виде симметричной мостовой схемы соединения четырех реактивных двухполюсников, параллельно этому соединению включена нагрузка для проходного высокочастотного сигнала с произвольными импедансами на трех заданных частотах, а двухполюсники с реактивными сопротивлениями Х _1k, Х_2k, Х_3k , X_4k симметричной мостовой схемы соединения выполнены из последовательного контура L_n , C_n, параллельно соединенного с индуктивностью L_0n, при этом реактивные сопротивления двухполюсников на каждой из трех заданных частот _k выбраны с помощью следующих математических выражений:

; r_0k, x_0k - заданные действительные и мнимые части комплексного сопротивления источника сигнала; r_нk,x _нk - заданные действительные и мнимые части комплексного сопротивления нагрузки;

; ; ;

- заданные действительные и мнимые части комплексных элементов матрицы сопротивлений трехполюсного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями тока и напряжения источника низкочастотного управляющего сигнала; m_21n , _21n - заданные отношения модулей и разность фаз коэффициентов передачи в двух состояниях управляемого элемента на трех частотах; х₂₂, x ₂₁ - численные значения элементов матрицы сопротивлений.

На фиг.1 показана схема устройства модуляции амплитуды и фазы сигналов, реализующего способ-прототип.

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

На фиг.3 изображена высокочастотная часть структурной схемы устройства модуляции амплитуды и фазы сигналов проходного сигнала при включении управляемого трехполюсного элемента между источником сигнала и неуправляемой частью.

На фиг.4 изображена высокочастотная часть структурной схемы предлагаемого устройства модуляции амплитуды и фазы сигналов проходного сигнала при включении управляемого трехполюсного элемента между неуправляемой частью и нагрузкой.

Устройство-прототип содержит циркулятор 1 с входным 2, нагрузочным 3 и выходным 4 плечами, три двухполюсника с реактивными сопротивлениями X _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, реализующего способ-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 оказываются 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 .

Предлагаемое устройство модуляции параметров сигнала (фиг.2) содержит источник высокочастотного сигнала 11, четыре двухполюсника 5, 6, 7, 8 с реактивными сопротивлениями X _1k, Х_2k, Х_3k , X_4k, соединенных между собой симметричной мостовой схемой, а также управляемый трехполюсный элемент 9, подключенный к источнику сигнала модуляции 10, двухполюсник 7 подключен к нагрузке 12 для проходного сигнала. Двухполюсник 5 подключен к одному из электродов управляемого трехполюсного элемента 9. Второй из электродов элемента 9 подключен к источнику сигнала 11. Третий электрод элемента 9 является общим, то есть подключен к заземленной шине. Возможны три варианта включения управляемого трехполюсного элемента - с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Это устройство функционирует следующим образом. Благодаря специальному выбору количества реактивных элементов двухполюсников 5, 6, 7, 8 схемы их соединений и значений их параметров при переключении управляющего (модулирующего) сигнала на управляемом трехполюсном элементе будет происходить манипуляция параметров проходного сигнала на заданном количестве частот в общем случае различными законами двухуровневого изменения амплитуды и фазы. При непрерывном изменении амплитуда управляющего сигнала будет реализована модуляция проходного сигналов по амплитуде и фазе в общем случае по произвольным законам.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Пусть на фиксированной частоте известны комплексные сопротивления источника сигнала z₀=r₀+jx ₀, нагрузки z_н=r_н +jx_н, а также матрица сопротивлений транзистора в двух состояниях, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала

и соответствующая ей классическая матрица передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, 388 с.].

Элементы матрицы сопротивлений имеют вид:

; ; ; ;

где один штрих означает первое состояние транзистора, а два штриха - второе.

Предполагается, что СФУ построено только на реактивных элементах. Это означает, что оно может быть описано с помощью следующей искомой матрицы сопротивлений:

и соответствующей ей классической матрицей передачи:

В матрицах (2), (4) ; , где учтено свойство взаимности неуправляемой части или согласующе-фильтрующего устройства (СФУ) (х₁₂ =-x₂₁) [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, 388 с.]. Предполагается, что матрица сопротивлений управляемой части (например, транзистора) известна для любого варианта включения в цепь управляемого трехполюсного элемента - с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Рассмотрим вариант манипулятора, изображенный на фиг.3, характеризуемый включением управляемого трехполюсного элемента между источником сигнала и СФУ.

Общая нормированная классическая матрица передачи манипулятора имеет вид:

Выражение для коэффициента передачи получим, используя известную связь между элементами классической матрицы передачи и элементами матрицы рассеяния с учетом (5):

Пусть требуется определить минимальное количество независимых реактивных элементов СФУ и значения их параметров, при которых манипулятор в двух состояниях транзистора обеспечивает заданные отношения модулей и разность фаз ₂₁=argS ₂₁-argS ₂₁ коэффициентов передачи:

После громоздких преобразований получим систему двух алгебраических уравнений, состоящих из действительной и мнимой составляющих комплексного уравнения, сформированного после подстановки (6) в (7):

Решение системы (8) позволяет найти новые взаимосвязи между элементами матрицы сопротивлений СФУ, которые являются оптимальными по критерию реализации закона двухуровневого изменения коэффициента передачи (7):

где ; ; .

Поскольку , то областью физической реализуемости является область изменения ₂₁, в пределах которой выполняется условие:

которое приводится к виду:

Решение (11) приводит к ограничению на разность фаз ₂₁:

где

Обеспечение положительности подкоренного выражения в (13) есть дополнительное условие физической реализуемости, которое накладывает ограничения на величину m ₂₁. Равенство нулю подкоренного выражения описывает границу области физической реализуемости и имеет вид биквадратного уравнения:

Дополнительными к условиям (12) областями физической реализуемости являются области изменения , которые удовлетворяют следующим ограничениям:

где

Подкоренное выражение в (16) всегда положительно.

Полученная система двух взаимосвязей (9) между элементами матрицы проводимостей оптимальных СФУ транзисторных манипуляторов означает, что СФУ должно содержать не менее двух реактивных элементов с независимыми параметрами. Значения этих параметров должны удовлетворять системе двух алгебраических уравнений, сформированных следующим образом. Необходимо выбрать пробную структуру СФУ из количества двухполюсников, не меньшего двух. Далее надо определить матрицу сопротивлений этой структуры. Элементы матрицы, выраженные через конкретные параметры СФУ, нужно подставить в найденные взаимосвязи. Сформированная таким образом система двух алгебраических уравнений решается относительно выбранных двух параметров. Значения остальных параметров могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например, из условий обеспечения устойчивости, требуемой полосы усиления и манипуляции и т.д.

Если кроме взаимности учесть свойство симметрии СФУ (х ₁₁=-х₂₂), то взаимосвязи (9) упрощаются и принимают вид:

Использование выражений (9) или (9с) позволяет определить численные значения элементов матрицы сопротивлений СФУ.

Аналогично рассуждая, можно показать, что все полученные формулы для варианта включения управляемого трехполюсного элемента между источником сигнала и СФУ оказываются справедливыми и для варианта его включения между СФУ и нагрузкой, если воспользоваться следующими перестановками:

Изменение варианта включения управляемого элемента влечет за собой определенное изменение полосы рабочих частот, предельно достижимых значений отношения модулей и разности фаз коэффициента передачи и границ областей физической реализуемости. Возможность выбора варианта включения управляемого элемента позволяет обеспечить требуемые значения указанных характеристик. При этом под вариантами включения трехполюсного управляемого элемента понимаются его включения между источником сигнала и СФУ, между СФУ и нагрузкой с общей базой (затвором, сеткой), с общим эмиттером (истоком, катодом), с общим коллектором (стоком, анодом).

В соответствии с разработанным алгоритмом была синтезирована схема СФУ манипуляторов на транзисторах в виде симметричной мостовой схемы соединения четырех двухполюсников (фиг.4).

В выражении (18) элементы x₂₂ , x₂₁ определены соответствующими взаимосвязями (9с) с учетом (17). Это означает, что эти взаимосвязи приобретают следующий вид:

где .

При этом в выражениях для коэффициентов A, B С, Н необходимо также учесть перестановки.

Вопросы устойчивости отдельно не освещаются, но можно отметить, что при разработанном подходе к синтезу транзисторных манипуляторов с усилением коэффициент усиления остается ограниченным во всей полосе пропускания. В исследуемых схемах манипуляторов с оптимальными СФУ не рассматривались конкретные типы транзисторов и конкретные варианты их включения - с общим эмиттером (истоком), общей базой (затвором), общим коллектором (стоком). Использование каждого из этих вариантов в рамках разработанного алгоритма параметрического синтеза требует знания матрицы сопротивлений транзистора именно для этого варианта включения.

В соответствии с выработанными рекомендациями нужно найти оптимальные значения сопротивлений двухполюсников СФУ на выбранных фиксированных частотах. Для каждой частоты получится свой набор этих значений. После этого надо сформировать соответствующие двухполюсники таким образом, чтобы они реализовали полученные значения сопротивлений на частотах интерполяции. При разумном выборе частот интерполяции нередко оказывается достаточным взять их количество равным трем, чтобы обеспечить 88-90% предельной полосы согласования z₀ и z _н по критерию (1).

В качестве примера формирования реактивных двухполюсников приведены результаты определения параметров L, С схемы, изображенной на фиг.3 для интерполяции АЧХ и ФЧХ на трех частотах. Реактивное сопротивление n-го двухполюсника на k-й частоте равно:

где k=1, 2, 3. Решение системы трех уравнений (20) получается в следующем виде:

Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестны способы одновременной многочастотной модуляции параметров (амплитуды и фазы) проходного сигнала и устройство его реализации, состоящее из управляемого трехполюсного элемента, включенного между источником сигнала и СФУ, которое сформировано из симметричной мостовой схемы соединения четырех двухполюсников, сформированных из последовательного колебательного контура L_n, C_n, параллельно соединенного с индуктивностью L_0n, с определенными по соответствующим математическим выражениям параметрам.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (формирование неуправляемой части определенным образом соединенных между собой двухполюсников из условия обеспечения двухуровневого изменения амплитуды и фазы проходного сигнала на заданном количестве частот при изменении состояния управляемого трехполюсного элемента, включенного между СФУ и нагрузкой по любой из трех схем (с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором) при произвольных значениях сопротивлений источника сигнала и нагрузок), и заявленные схемы соединений элементов L, С, формирующих двухполюсник и математические выражения для определения их параметров обеспечивают одновременно манипуляцию амплитуды и фазы и усиление амплитуды проходного сигнала.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью транзисторы, индуктивности и емкости, сформированные в заявленную схему СФУ в виде симметричной мостовой схемы соединения четырех двухполюсников. Значения параметров емкостей и индуктивностей однозначно могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного способа и устройства его реализации заключается в одновременном обеспечении манипуляции амплитуды и фазы и усиления амплитуды проходного сигнала в общем случае по разным законам на трех заданных частотах интерполяции требуемых АЧХ и ФЧХ в двух состояниях управляемого трехполюсного элемента.