Приборы селекции частоты - Просто о технологиях

Содержание

Сигналы и селекция сигналов
Виды селекции
Устройство селекции сигналов по частоте
Прибор частотной селекции радиоизлучающих целей корабельного радиолокационного комплекса
Устройство для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов
Микрополосковые устройства частотной селекции на основе двухмерного фотонного кристалла

Сигналы и селекция сигналов

В телемеханических системах на расстояние передается информация. Материальными носителями информации являются сигналы. В качестве сигналов выступают импульсы тока в линиях связи или радиосигналы.

Импульсы тока несут информацию вследствие того, что обладают различными качествами (признаками). Наиболее широко используются амплитудные, временные, частотные, фазовые, полярные импульсные качества.

Рассмотрим их свойства.

При амплитудном признаке (рис. 1,а) импульсные посылки отличаются только по амплитуде путем изменения напряжения источника питания, подключенного к линии связи. Такие посылки различаются в приемном устройстве релейными элементами с разной чувствительностью.

Амплитудный признак можно использовать в любых линиях связи, но он обладает низкой помехозащищенностью, так как при возникновении помех или изменении сопротивления линии связи одна амплитуда легко трансформируется в другую. Поэтому амплитудные признаки используют в линиях небольшой протяженности, чаще всего кабельных, обладающих высокой стабильностью.

Амплитудный признак используют при двух значениях амплитуды – большом А1 и малом А2, соответствующих значению символов 1 и 0 передаваемой информации.

Рис. 1 Импульсные признаки сигналов

Временной признак (рис. 1,б) характерен тем, что импульсные посылки друг от друга отличаются длительностью.

Для реализации этого признака на передающей стороне должно быть устройство, изменяющее длительность импульсов (времязадающие схемы), а на приемной – элементы, различающие посылки разной длительности.

В качестве посылки может быть использована пауза между двумя импульсами одинаковой длительности. При этом изменением признака посылки будет изменение длительности паузы.

Временной признак имеет невысокую помехозащищенность, так как длительность может искажаться из-за изменений временных параметров аппаратуры и линии связи. Поэтому он применяется при коротких линиях связи и, как правило, при двух временных интервалах – большом и малом, отличающихся между собой не менее чем в 3 – 4 раза.

При частотном признаке (рис. 1,в) посылки отличаются друг от друга частотой. Частотные качества формируют частотные генераторы. На приемной стороне частоты выделяются с помощью электрических фильтров.

Достоинством частотных качеств является хорошая помехозащищенность (трансформация одной частоты в другую маловероятна), простота аппаратуры (легко настроить генератор или фильтр на заданную частоту) и, поэтому возможность передачи по линиям связи большого числа посылок разной частоты.

Частотный признак может использоваться как на проводных, так и на беспроводных линиях связи.

Последнее время все большее применение в системах телемеханики находит фазовый признак, при котором импульсные посылки отличаются друг от друга фазой (рис. 1,г). Фазовые качества формируются с помощью фазосдвигающих схем, а принимаются – фазочувствительными схемами. Достоинством фазовых качеств является хорошая помехозащищенность.

Полярный признак имеет два значения, отличающиеся полярностью импульса – положительной или отрицательной. В этом случае используются импульсы постоянного тока или полуволны выпрямленного переменного тока.

Полярные качества характеризуются высокой помехозащищенностью, однако для их передачи можно использовать только проводные выделенные линии связи.

Полярные посылки различаются в приемном устройстве релейными поляризованными элементами.

Виды селекции

При телемеханическом управлении и контроле основной является задача выбора объекта управления. Селекция – это метод выбора объекта из всего множества объектов, подлежащих управлению. Виды селекции различаются видом сигнала и видом разделения сигналов.

Сигналы подразделяют на одноэлементные и многоэлементные. В одноэлементном сигнале сообщение несет один импульс тока, в многоэлементном сигнале – все импульсы тока.

Например, для того, чтобы определить сообщение, которое несет трехэлементный сигнал, необходимо знать качество каждого из трех импульсов. Выделяют также линейное и временное разделение сигналов. При линейном разделении (рис.

2,а) импульсы тока передаются одновременно каждый по своему каналу (физический провод, частотный канал и др.). При временном разделении импульсы тока передаются последовательно во времени (рис. 2,б).

Рис. 2 Виды разделения сигналов

Сочетания указанных двух признаков дают четыре вида селекции: разделительная, качественно-комбинационная, распределительная и кодовая. Виды селекции характеризуются информационной емкостью N и временем передачи сообщения (быстродействием) Т. Свойства селекции тем лучше, чем больше N и меньше T.

Разделительная селекция – это линейное разделение одноэлементных сигналов. Для разделительной селекции N = k*n, T = tпр, где k – число качеств импульсов тока, n – число прямых проводов, tпр – время притяжения реле.

Достоинством разделительной селекции являются минимальное время передачи сообщений и возможность независимой и одновременной передачи приказов различным объектам, а минусами – малая емкость и многопроводность (многоканальность). Предположим, надо передать N = 100 сообщений. Тогда, если k = 2, то n = 50. Чтобы увеличить емкость системы применяется многоэлементный сигнал.

Качественно-комбинационная селекция – линейное разделение многоэлементных сигналов. Применение многоэлементного сигнала увеличивает емкость системы: N = kn, T = tпр.

Недостатком качественно-комбинационной селекции является многопроводность. Этот недостаток вообще присущ линейному разделению сигналов. Чтобы его исключить, надо применять временное разделение сигналов. При этом число каналов связи уменьшается в n раз (требуется всего один канал связи), но и в n раз увеличивается время передачи сообщений.

Распределительная селекция – это временное разделение одноэлементных сигналов. Для того чтобы осуществить временное разделение на ПУ и КП устанавливаются специальные устройства распределители. Аппаратура распределителей разнообразна, она может быть построена на основе реле, транзисторах, магнитных элементах. Распределители должны работать синхронно и синфазно.

Емкость распределительной селекции N = k*n, где n – число позиций распределителя. Время передачи сообщений переменное, поскольку приказы объектам передаются последовательно один за другим, при этом Tmax=tср*n и Tmin=tср, где tср – среднее время нахождения распределителя на одной позиции.

Достоинством распределительной селекции является малопроводность, а недостатками – увеличение времени передачи сообщений, усложнение аппаратуры из-за наличия распределителей, а также небольшая емкость.

Чтобы увеличить емкость применяют многоэлементный сигнал.

Кодовая селекция – временное разделение многоэлементных сигналов. Для кодовой селекции N = kn, T = tср*n. Кодовая селекция имеет наибольшую емкость при наименьшем числе каналов связи. Поэтому это лучший вид селекции, который наиболее часто используется.

Иногда в системах телемеханики одновременно используют кодовую и распределительную селекции. Кодово-распределительная селекция используется, если управляемые объекты расположены отдельными группами на большом расстоянии друг от друга.

Так расположены объекты (стрелки и светофоры) промежуточных станций на железнодорожном участке. Поэтому кодово-распределительная селекция используется в диспетчерской централизации.

Задача выбора управляемого объекта в этом случае делится на две: выбор группы (станции) и объекта в данной группе.

Достоинством кодово-распределительной селекции является возможность с помощью одной команды телеуправления передать приказы нескольким объектам в одной группе.

Устройство селекции сигналов по частоте

Устройство относится к области обработки сигналов и предназначено для использования во входных цепях радиоприемных систем.

Известно устройство селекции сигналов, построенное на основе электронных компонент.

Устройство представляет собой набор параллельно включенных узкополосных радиочастотных усилителей, перекрывающих всю полосу селекции (см., например, В.А. Мартынов, Ю.И. Селиков.

Панорамные приемники и анализаторы спектра. М. Сов. Радио, 1980, с.206-225). Такое устройство позволяет разделить принимаемые сигналы в соответствии со значениями их частот.

К недостаткам такого устройства следует отнести большую массу и габариты при достаточно большом числе усилителей (~103 и более). Для снижения массы и габаритов устройства можно использовать акустооптоэлектронную (АОЭ) элементную базу.

Известно устройство селекции, построенное на акустооптоэлектронной элементной базе (см. В.Н. Парыгин, В.И. Балакший. Оптическая обработка информации. Изд. Московского университета, 1987, с.116-117). Устройство носит название анализатора спектра с когерентным детектированием.

К недостатку устройства следует отнести сложность формирования гетеродинного (опорного) светового пучка при работе устройства селекции в широкой полосе частот, так как в этом случае необходимо формировать гетеродинный световой пучок для всех возможных частот принимаемого сигнала.

Это увеличивает сложность и громоздкость устройства, а также существенно увеличивает световые потери на формирование гетеродинных пучков, вследствие чего повышаются требования к мощности используемого источника света.

Из известных АОЭ устройств наиболее близким по технической сущности является устройство (см. С.В. Кулаков. Акустооптические устройства спектрального и корреляционного анализатора сигналов. Ленинград, Наука, Ленинградское отделение, 1978, с.55-63).

Устройство содержит последовательно оптически соединенные источник света (лазер), коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, на электрический вход которого подается входной сигнал, проектирующую оптическую систему, второй АОМ света, на электрический вход которого подается сигнал в виде δ-импульса, интегрирующую линзу и фотодетектор.

На выходе такого устройства формируется корреляционная функция сигналов, подаваемых на первый и второй АОМ света. Поэтому, если на электрический вход первого АОМ света подать входной сигнал и одновременно с этим на электрический вход второго АОМ света подать δ-импульс, то на выходе фотодетектора будет сформирован (восстановлен) выходной сигнал, являющийся копией входного.

Первый недостаток такого устройства заключается в том, что оно не может работать при неизвестном заранее времени прихода входного сигнала. Это связано с тем, что неизвестно в какой момент необходимо формировать δ-импульс.

Второй недостаток такого устройства заключается в том, что использование δ-импульсов энергетически невыгодно, так как формально δ-импульс имеет бесконечно широкий спектр, и поэтому световой поток, соответствующий спектру δ-импульса распределяется по всей полосе пространственных частот, в которой работает устройство, и на каждое значение пространственной частоты приходится таким образом очень малая световая энергия. Поэтому при приеме узкополосных сигналов, которым соответствует узкий спектр пространственных частот, уровень выходного сигнала будет весьма низок.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей и повышение уровня выходного сигнала.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве содержащему последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый АОМ света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, а также последовательно оптически соединенные вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света и интегрирующую линзу, а также фотодетектор, электрические входы первого и второго АОМ света объединены, между первой и второй линзами проектирующей оптической системы помещен первый пространственный фильтр, второй АОМ света оптически соединен с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, между интегрирующей линзой и фотодетектором помещен второй пространственный фильтр, скорость распространения акустической волны во втором АОМ света выбрана вдвое больше скорости распространения акустической волны в первом АОМ света, а фотодетектор выполнен в виде линейки фотодиодов.

На фигуре представлена схема предлагаемого АОЭ устройства селекции.

Предлагаемое устройство содержит лазер 1, коллиматор 2, первый АОМ света 3, проектирующую оптическую систему 4, пространственный фильтр 5, второй АОМ света 6, интегрирующую линзу 7, второй пространственный фильтр 8 и линейку фотодиодов 9.

Устройство работает следующим образом. С помощью лазера 1 и коллиматора 2 формируется монохроматический световой поток с плоским фронтом, который падает на АОМ света 3, работающий в режиме Рамана-Ната (см., например, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. Изд. Наука. Главн. ред. физико-математ. литературы, М, 1970, с.200-207).

На электрический вход АОМ света 3 подается входной сигнал, возбуждающий в модуляторе бегущую акустическую волну. Для падающего на модулятор 3 светового потока модулятор с бегущей акустической волной представляет собой фазовую дифракционную решетку.

В результате дифракции светового потока на этой решетке на выходе модулятора образуются дифракционные порядки, отличающиеся как углом дифракции, так и значением световой частоты.

Проектирующая оптическая система 4, состоящая из двух собирающих линз, переносит световое поле, сформированное на выходе первого модулятора – АОМ света 3 в плоскость расположения второго модулятора – АОМ света 6, который также как и первый работает в режиме Рамана-Ната.

Пространственный фильтр 5, расположенный между линзами проектирующей оптической системы 4 служит для фильтрации всех порядков дифракции в АОМ света 3 кроме +1-го и 0-го.

Световой поток, соответствующий 0-му порядку дифракции от АОМ света 3, попадая на АОМ света 6, дифрагирует в нем по аналогии с дифракцией в АОМ света 3.

Поскольку в режиме Рамана-Ната интенсивность светового потока, дифрагировавшего в нулевой порядок дифракции существенно больше интенсивности всех других порядков дифракции, то можно пренебречь световым потоком, последовательно дифрагировавшим в +1-ый порядок в АОМ света 3 и +2-ой в АОМ света 6.

С помощью пространственного фильтра 8, установленного между интегрирующей линзой 7 и линейкой фотоприемников 9, производится фильтрация всех порядков дифракции в АОМ света 6 кроме +2-го, а также +1-го порядка дифракции в АОМ света 3, прошедшего АОМ света 6 без преломления.

Предположим, что входной сигнал является гармоническим с частотой Ω. Световая частота в +1 порядке дифракции на выходе АОМ света 3 сдвинута на частоту принимаемого сигнала, то есть равна ωопт+Ω, где ωопт – частота лазера.

Световая частота +2 порядка дифракции на выходе АОМ света 6 сдвинута на удвоенную частоту принимаемого сигнала, то есть равна ωопт+2Ω (см., например, Е.Р. Мустель, В.Н. Парыгин. Методы модуляции и сканирования света. Изд. Наука. Главн. ред. физико-математ. литературы, М, 1970, с.203).

Для того, чтобы при подаче одного и того же сигнала на электрические входы АОМ света 3 и 6 обеспечить параллельность световых пучков +1 порядка дифракции от АОМ света 3 и +2 порядка дифракции от АОМ света 6, скорость распространения акустической волны в АОМ света 6 выбирается вдвое выше, чем в АОМ света 3.

В этом случае световые лучи от АОМ света 3 и 6 будут параллельны и, попадая на один и тот же фотодиод линейки дадут на его выходе сигнал разностной частоты, т.е. Ω.

Если на входе устройства присутствует несколько сигналов на разных частотах, то все они будут разделяться в пространстве и каждый сигнал будет формироваться на выходе соответствующего фотодиода линейки.

Материалы АОМ света с вдвое отличающимися скоростями распространения акустических волн известны.

Это, например, плавленый кварц, продольная волна, Vак=5,95·103 м/с и TeO2, продольная волна в направлении [010], Vак=2,98·103 м/с; KRS-5, продольная волна, Vак=2,11·103 м/с и TeO2, продольная волна в направлении [110], Vак=4,21·103 м/с и другие материалы (см. А. Ярив, П. Юк. Оптические волны в кристаллах. М., Мир, 1987, с.401-406).

Использование входного электрического сигнала для одновременной модуляции светового потока в АОМ света 3 и АОМ света 6 позволяет сделать устройство независимым от времени прихода сигнала.

Использование +1-го порядка дифракции от АОМ света 3 и +2-го порядка дифракции от АОМ света 6 позволяет формировать сигнальный и опорный лучи, распространяющиеся параллельно и сдвинутые на частоту принимаемого радиосигнала. Это, в свою очередь, позволит освещать только тот фотоприемник, который соответствует частоте принимаемого сигнала, а следовательно, более рационально использовать мощность лазера и увеличить уровень выходного сигнала.

Устройство селекции сигналов, содержащее последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, первый акустооптический модулятор (АОМ) света, электрический вход которого является входом устройства, первую линзу проектирующей оптической системы, а также последовательно оптически соединенные вторую линзу проектирующей оптической системы, второй АОМ света и интегрирующую линзу, а также фотодетектор, отличающееся тем, что электрические входы первого и второго АОМ света объединены, между первой и второй линзами проектирующей оптической системы помещен первый пространственный фильтр, второй АОМ света оптически соединен с интегрирующей линзой через второй порядок дифракции, между интегрирующей линзой и фотодетектором помещен второй пространственный фильтр, скорость распространения акустической волны во втором АОМ света выбрана вдвое больше скорости распространения акустической волны в первом АОМ света, а фотодетектор выполнен в виде линейки фотодиодов.

Прибор частотной селекции радиоизлучающих целей корабельного радиолокационного комплекса

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой (РТО) в составе корабельного радиолокационного комплекса (КРЛК) или как автономный прибор измерения несущей частоты и временных параметров импульсных сигналов радиоизлучающих целей (РИЦ).

Сущность полезной модели заключается в том, что в приборе частотной селекции РИЦ КРЛК, содержащим усилитель высокой частоты (УВЧ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ), логарифмический детектор-видеоусилитель (ЛДВУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, в состав дополнительно введены высокочастотный ключ (ВЧК), высокочастотный аттенюатор (ВЧА), широкополосный транспонатор (ШПТ), делитель мощности (ДМ) и промежуточный преобразователь частоты (ППЧ), при этом сигналы от РИЦ, принятые радиолокационной антенной КРЛК, через ВЧК и ВЧА поступают на вход ШПТ, с выхода которого сигналы поступают на вход ДМ, с первого выхода ДМ сигналы поступают на вход УВЧ, с выхода которого через ППФ сигналы поступают на вход ЛДВУ, одновременно со второго выхода ДМ сигналы поступают на вход ППЧ, далее сигналы с выходов ЛДВУ и ППЧ поступают на входы вычислителя, а затем с выхода вычислителя обработанные сигналы поступают к потребителю. Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении возможности определения параметров двух и более одновременно существующих сигналов в одном частотном диапазоне, а также повышение чувствительности.

Известен цифровой измеритель частоты по патенту РФ на полезную модель2325665, 2008 г., МПК8 G01R 23/00, опубл. Бюл.7, 2008 г.

, содержащий последовательно соединенные усилитель высокой частоты, полосно-пропускающий фильтр, частотный дискриминатор с четырьмя выходами, а также аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и вычислитель, причем вход усилителя является входом устройства, выход каждого АЦП соединен с входами вычислителя, логарифмические видеоусилители (ЛВУ), аналоговый сумматор, обнаружитель импульсных сигналов, блок формирования кода мощности, блок формирования кода коррекции и цифровой сумматор, при этом вход каждого ЛВУ соединен с выходами частотного дискриминатора, выход каждого ЛВУ соединен с входом соответствующего АЦП и входами аналогового сумматора, выход аналогового сумматора соединен с входом обнаружителя, выход обнаружителя соединен с тактовым входом всех АЦП, выход каждого АЦП соединен с входами вычислителя и входами формирования кода мощности, выход вычислителя соединен с входом блока формирования кода коррекции и входом цифрового сумматора, выход блока формирования кода мощности соединен с другим входом блока формирования кода коррекции, выход блока формирования кода коррекции соединен с другим входом цифрового сумматора, выход цифрового сумматора является выходом измерителя частоты.

Известный измеритель построен с логарифмическим видеоусилителем на входе и фазовым методом обработки сигнала, который основан на перемножении прямого и задержанного сигналов в квадратурном фазовом детекторе с последующей цифровой обработкой.

Такое построение нашло достаточное распространение в различных пассивных системах.

Однако, несмотря на существенные преимущества над традиционным построением с усилителем-ограничителем без обнаружителя синхронных помех, измерение частоты производится посредством частотного дискриминатора, осуществляющего преобразование частоты входного сигнала в амплитуду, и принципиально не может производиться по двум или более сигналам, одновременно существующим на входе, а предлагаемые схемы компенсации позволяют лишь подавить помеху, являющуюся, в сущности, с точки зрения наблюдения за РТО полезным сигналом. Кроме того, обнаружение осуществляется по видеосигналу, являющемуся огибающей входного сигнала в достаточно широком частотном диапазоне, что существенно ограничивает чувствительность системы.

Недостатками известного измерителя частоты являются ограниченные функциональные возможности, а именно невозможность определения параметров двух и более одновременно существующих сигналов в одном частотном диапазоне, а также низкая чувствительность, обусловленная обнаружением сигналов во временной области в широкой полосе частот.

Решаемой задачей является обеспечение возможности определения параметров двух и более одновременно существующих сигналов в одном частотном диапазоне, а также повышение чувствительности путем селекции (выбора) РИЦ из более широкого частотного диапазона при наблюдении за радиотехнической обстановкой (РТО).

Для реализации поставленной задачи целесообразно перевести измерения из плоскости видеосигналов в плоскость радиоизмерений, измерения частоты и параметров сигналов проводить методами спектрального анализа в частотной области, используя технику обработки радиосигналов с помощью дискретных преобразований отсчетов с выхода АЦП.

Сущность полезной модели поясняется структурной схемой, где:

1 – высокочастотный ключ (ВЧК),

2 – высокочастотный аттенюатор (ВЧА),

3 – широкополосный транспонатор (ШПТ),

4 – делитель мощности (ДМ),

5 – усилитель высокой частоты (УВЧ),

6 – полосно-пропускающий фильтр (ППФ),

7 – логарифмический детектор-видеоусилитель (ЛДВУ),

8 – промежуточный преобразователь частоты (ППЧ),

9 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

10 – вычислитель.

Работа заявляемого прибора осуществляется следующим образом.

Высокочастотные сигналы от РИЦ() на схеме не показаны), принятые радиолокационной антеннойКРЛК, через ВЧК 1, где производится развязка частотных поддиапазонов с целью уменьшения просачивания шумов и сигналов для увеличения чувствительности приемника*, и ВЧА 2, где производится выравнивание амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) между частотными диапазонами и увеличение динамического диапазона канала, поступают на вход ШПТ 3, где производится перенос сигналов в фиксированную полосу, далее сигналы поступают в ДМ 4, где происходит деление по мощности, при этом, часть сигналов с первого выхода ДМ 4 поступает в УВЧ 5, где происходит усиление, и в ППФ 6, где они дополнительно фильтруются и подвергаются выделению огибающей сигнала, а затем – в ЛДВУ 7, где происходит дополнительное усиление, одновременно со второго выхода ДМ 4 часть сигналов поступает в ППЧ 8, где они дробятся для детальной обработки и измерения параметров, аналоговые сигналы с выходов ЛДВУ 7 и ППЧ 8 поступают в АЦП 9 для аналого-цифрового преобразования (с целью согласования с цифровой системой обработки вычислителя 10), и далее на входы вычислителя 10, где они подвергаются последовательным дискретным преобразованиям для выделения спектров, сужения полосы приема до ширины спектра и обеспечения квазисогласованной фильтрации, после чего с высокой точностью измеряются параметры сигналов, такие как ширина спектра, вид модуляции, параметры модуляции, временные параметры сигналов и энергетические параметры сигналов, после измерений вычислитель 10 формирует формуляры, которые помимо параметров сигналов содержат относительное время фиксации сигналов, а также пеленг (или угловое положение антенны), вычисленное как центр масс энергетических показателей сигнала при предварительном введении в вычислитель 10 данных антенной системы, после этого обработанные данные с выхода вычислителя 10 поступают к потребителям(составным частямКРЛК).

Технический результат от использования полезной модели заключается в обеспечении возможности определения параметров двух и более одновременно существующих сигналов в одном частотном диапазоне, а также повышение чувствительности.

Указанный технический результат достигается путем селекции (выбора) РИЦ из более широкого частотного диапазона при наблюдении за радиотехнической обстановкой (РТО), и совокупностью отличительных признаков, а именно введением высокочастотного ключа (ВЧК), высокочастотного аттенюатора (ВЧА), широкополосного транспонатора (ШПТ), делителя мощности (ДМ) и промежуточного преобразователя частоты (ППЧ).

Представленные описание и схема заявляемого прибора позволяют, применяя известные в приборостроении материалы, технологии и покупные изделия, изготовить его промышленным способом и использовать для наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство измерения несущей частоты, а также временных параметров импульсных сигналов.

Прибор частотной селекции радиоизлучающих целей (РИЦ) корабельного радиолокационного комплекса (КРЛК), содержащий усилитель высокой частоты (УВЧ), полосно-пропускающий фильтр (ППФ), логарифмический детектор-видеоусилитель (ЛДВУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и вычислитель, отличающийся тем, что в состав введены высокочастотный ключ (ВЧК), высокочастотный аттенюатор (ВЧА), широкополосный транспонатор (ШПТ), делитель мощности (ДМ) и промежуточный преобразователь частоты (ППЧ), при этом сигналы от РИЦ, принятые радиолокационной антенной КРЛК через ВЧК и ВЧА поступают на вход ШПТ, с выхода которого сигналы поступают на вход ДМ, с первого выхода ДМ сигналы поступают на вход УВЧ, с выхода которого через ППФ сигналы поступают на вход ЛДВУ, одновременно со второго выхода ДМ сигналы поступают на вход ППЧ, далее сигналы с выходов ЛДВУ и ППЧ поступают на входы АЦП, с выходов которого преобразованные сигналы поступают на входы вычислителя, а затем с выхода вычислителя обработанные сигналы поступают к потребителям.

Устройство для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов

Ωс;Мс, Мг – глубина модуляции радиосигнала и сигнала генератора при AM или индекс модуляции при ЧМ, ФМ;z – текущая координата, отсчитываемая от входа двухпроводной линии 1.На основании выше приведенных соотношений принцип работы заявляемого устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов заключается в следующем.

При пропускании по двухпроводным линиям 1, 2, ориентированных встречно, высокочастотных модулированных токов бегущей волны радиосигнала и сигнала от генератора в области двухпроводных линий 1, 2 в результате интерференции электромагнитных полей одинаковой частоты образуется пространственно неоднородное по амплитуде электрическое поле, градиент квадрата амплитуды которого для различных видов модуляции радиосигнала и колебаний генератора при совпадении их несущих частот равен следующему.1. При AM радиосигнала и AM сигнала генератора 2. При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и узкополосной ЧМ, ФМ сигнала генератора 3. При узкополосой ЧМ, ФМ радиосигнала и AM сигнала генератора В проводнике 3, размещенном между проводами двухпроводных линий 1,2, параллельно им, под воздействием силы высокочастотного давления (1) с учетом (3, 4, 5) возникает ток, пропорциональный ∇|E|2, в спектральном составе которого содержится составляющая с частотой модуляции генератора Ωг и две боковые составляющие с частотой (Ωг-Ωс) и (Ωг+Ωс):1. При AM радиосигнала и AM сигнала генератора: 2. При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и узкополосной ЧМ, ФМ сигнала генератора: 3. При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и AM сигнала генератора: Под воздействием тока (6, 7, на концах проводника 3 возникает напряжение, изменяющееся во времени с частотой модуляции колебаний генератора Ωг, модулированное сообщением Ωс радиосигнала. Это напряжение подается на вход полосового фильтра 4, который настроен на частоту модуляции колебаний генератора Ωг и не пропускает на выход фильтра 4 составляющую спектра с частотой сообщения Ωс, а также частично просачивающееся в проводнике 3 высокочастотное напряжение радиосигнала и генератора.Селекция модулированных радиосигналов в заявленном устройстве осуществляется путем изменения частоты генератора без изменения частоты модуляции Ωг. При совпадении частоты колебаний генератора с частотой модулированного радиосигнала, поступающего из антенны, в области двухпроводных линий 1, 2 формируется неоднородное по амплитуде электрическое поле, под воздействием которого в проводнике 3 возникает напряжение с частотой модуляции Ωг колебаний генератора, модулированное сообщением Ωс радиосигнала. При этом в спектре преобразованного радиосигнала не возникает комбинационных составляющих и, следовательно, при использовании заявляемого устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов не образуются побочные каналы приема, свойственные известным устройствам аналогичного назначения.Таким образом, селекция и преобразование частоты модулированных радиосигналов на линиях с распределенными параметрами осуществляется благодаря тому, что сила высокочастотного давления на электроны проводимости и обусловленный ею ток в проводнике 3 с частотой модуляции колебаний генератора, модулированный сообщением радиосигнала, пропорциональны градиенту квадрата амплитуды высокочастотного модулированного пространственно неоднородного электрического поля в области линий с распределенными параметрами.Прием сигналов радиовещательных станций с использованием заявляемого устройства подтверждает его работоспособность. Устройство для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов, содержащее фильтр и двухпроводную линию, к входу которой подведен модулированный радиосигнал, а между ее проводами параллельно им размещен проводник той же длины, который присоединен к фильтру, при этом длины двухпроводной линии и проводника выбраны не менее одной десятой длины волны модулированного сигнала, отличающееся тем, что соосно с двухпроводной линией, к входу которой подведен модулированный радиосигнал, введена другая двухпроводная линия той же длины и к ее входу подведен сигнал от генератора модулированных колебаний, несущая частота которых совпадает с несущей частотой модулированного радиосигнала, а частота модуляции выше частоты модуляции радиосигнала, при этом двухпроводные линии порознь нагружены на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, и по направлению бегущих в них волн ориентированы встречно, а проводник, размещенный между проводами двухпроводных линий параллельно им присоединен к входу полосового фильтра, настроенного на частоту модуляции колебаний генератора. class=blcSndTextValline score=187.75>

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах и измерительной технике для селекции (избирательности) и преобразования частоты модулированных радиосигналов.

Известны:

1. Устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов, содержащие полупроводниковые приборы и резонансные системы [Давыдов Ю.Г. и др. Радиоприемные устройства. / Под редакцией проф. А.П.Жуковского – М.: Высшая школа, 1989, с.

8-10, 32, 38, 40, 81-82, 85-86, 87-92], которые выполнены в виде отдельных узлов, и для изменения частоты радиоприемного устройства одновременно должны перестраиваться резонансные системы селектора и преобразователя частоты.

Характерным недостатком таких устройств является возникновение побочных каналов приема: зеркального, комбинационного, интермодуляционного.

2. Преобразователи частоты [Патенты РФ: №2248661, H03D 7/00, №2276452, H03D 7/00, №2285330, H03D 7/14, №2311728, H03D 7/14], которые переносят радиосигнал с одной несущей частоты на другую, но не позволяют осуществлять селекцию радиосигналов.

Демодулятор амплитудно-модулированных (AM), частотно-модулированных (ЧМ), фазомодулированных (ФМ) сигналов [Патент РФ №2204195, H03D 5/00], который выделяет сообщение из модулированного радиосигнала, но не позволяет производить селекцию и преобразование частоты, т.е. переносить спектр радиосигнала с одной несущей частоты на другую. Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности совпадающих существенных признаков является демодулятор AM, ЧМ, ФМ сигналов [Патент РФ №2204195, H03D 5/00 – прототип].

Демодулятор AM, ЧМ, ФМ сигналов содержит двухпроводную короткозамкнутую линию и проводник между ее проводами, параллельно им, той же длины, концы которого подключены к входу фильтра нижних частот.

Цель изобретения – селекция и преобразование частоты модулированных радиосигналов, т.е.

перенос модулированного сигнала с одной несущей частоты на другую, совместив селекцию и преобразование частоты модулированных сигналов в одном устройстве, исключив при этом возникновение побочных каналов приема.

Указанная цель достигается тем, что модулированный радиосигнал подведен к входу двухпроводной линии, между проводами которой, параллельно им, размещен проводник той же длины, а для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов соосно с ней введена другая двухпроводная линия той же длины и к ее входу подведен сигнал от генератора модулированных колебаний. Несущая частота генератора модулированных колебаний совпадает с несущей частотой модулированного радиосигнала, а частота модуляции выше частоты модуляции радиосигнала.

Двухпроводные линии порознь нагружены на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, и по направлению бегущих в них волн ориентированы встречно, а проводник, размещенный между проводами линий, параллельно им, присоединен к входу полосового фильтра, настроенного на частоту модуляции колебаний генератора.

При этом длина двухпроводных линий и длина проводника, размещенного между проводами линий, параллельно им, выбраны не менее одной десятой длины волны модулированного радиосигнала.

С выхода полосового фильтра сигнал с несущей частотой, равной частоте модуляции колебаний генератора, модулированный сообщением радиосигнала, подается для последующего усиления и демодуляции.

Авторы не установили среди известных им технических решений аналогичного назначения такого, которое содержало бы совокупность существенных признаков, с заявленными отличительными признаками. Это позволяет признать заявляемое техническое решение соответствующим критерию «новизна».

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается электрической схемой устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов, принципом его работы и экспериментальными результатами.

Устройство для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов, изображенное на чертеже, содержит:

1) двухпроводную линию 1, на вход которой подведен модулированный радиосигнал Uc(ωc,Ωс), например, от антенны или широкополосного антенного усилителя;

2) двухпроводную линию 2, на вход которой подведен сигнал Uг(ωг,Ωг) от генератора модулированных колебаний, несущая частота которого совпадает с несущей частотой модулированного радиосигнала (ωг=ωс), а частота модуляции Ωг больше частоты модуляции Ωс радиосигнала;

3) двухпроводные линии 1, 2 порознь нагружены на сопротивление R, равное волновому сопротивлению линии, и по направлению бегущих в них волн ориентированы встречно;

4) проводник 3, который размещен между проводами двухпроводных линий 1, 2, параллельно им;

5) полосовой фильтр 4, к входу которого присоединен проводник 3.

Длина двухпроводных линий 1, 2 и длина проводника 3 выбраны не менее одной десятой длины волны модулированного радиосигнала.

Полосовой фильтр 4 настроен на частоту модуляции Ωг колебаний генератора. С выхода полосового фильтра 4 сигнал с несущей частотой, равной частоте модуляции колебаний генератора, и модулированный сообщением радиосигнала, подается для последующего усиления и демодуляции.

Для описания принципа работы заявляемого устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов исходными соотношениями являются следующие.

1. Сила высокочастотного давления, действующая на электрон, находящийся в пространственно неоднородном по амплитуде электромагнитном поле [Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев. Физика плазмы для физиков. – М.: Атомиздат, 1979, с.35]:

где е – заряд электрона;

mе – масса электрона;

ω – круговая частота электромагнитного поля;

∇ – математическая операция градиента;

|E| – амплитуда электрического поля.

2. Квадрат амплитуды результирующего электрического поля бегущих встречно электромагнитных волн одинаковой частоты [Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. – М.: Наука, 1985, с.291]:

где |Еc| – амплитуда электрического поля в двухпроводной линии 1:

– при AM;

– при ЧМ, ФМ,

где Umc – амплитуда напряжения несущего колебания радиосигнала;

dэ – эквивалентное расстояние между проводами линии;

|Ег| – амплитуда электрического поля в двухпроводной линии 2:

– при AM,

– при ЧМ, ФМ,

где Umг – амплитуда напряжения несущего колебания генератора;

ΔΨ – разность фаз бегущих навстречу электромагнитных волн в двухпроводных линиях 1, 2:

ΔΨ=2mz – при AM радиосигнала и AM сигнала генератора;

ΔΨ=2mz+(МгcosΩгt-МсcosΩct) – при ЧМ, ФМ радиосигнала и ЧМ, ФМ сигнала генератора;

ΔΨ=2mz-МсcosΩct – при ЧМ, ФМ радиосигнала и AM сигнала генератора;

m – волновое число высокочастотных колебаний радиосигнала и сигнала генератора при совпадении их частот.

Ωс, Ωг – круговая частота модуляции радиосигнала и сигнала генератора, при этом Ωг>Ωс;

Мс, Мг – глубина модуляции радиосигнала и сигнала генератора при AM или индекс модуляции при ЧМ, ФМ;

z – текущая координата, отсчитываемая от входа двухпроводной линии 1.

На основании выше приведенных соотношений принцип работы заявляемого устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов заключается в следующем.

При пропускании по двухпроводным линиям 1, 2, ориентированных встречно, высокочастотных модулированных токов бегущей волны радиосигнала и сигнала от генератора в области двухпроводных линий 1, 2 в результате интерференции электромагнитных полей одинаковой частоты образуется пространственно неоднородное по амплитуде электрическое поле, градиент квадрата амплитуды которого для различных видов модуляции радиосигнала и колебаний генератора при совпадении их несущих частот равен следующему.

1. При AM радиосигнала и AM сигнала генератора

2. При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и узкополосной ЧМ, ФМ сигнала генератора

При узкополосой ЧМ, ФМ радиосигнала и AM сигнала генератора

В проводнике 3, размещенном между проводами двухпроводных линий 1,2, параллельно им, под воздействием силы высокочастотного давления (1) с учетом (3, 4, 5) возникает ток, пропорциональный ∇|E|2, в спектральном составе которого содержится составляющая с частотой модуляции генератора Ωг и две боковые составляющие с частотой (Ωг-Ωс) и (Ωг+Ωс):

1. При AM радиосигнала и AM сигнала генератора:

2. При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и узкополосной ЧМ, ФМ сигнала генератора:

При узкополосной ЧМ, ФМ радиосигнала и AM сигнала генератора:

Под воздействием тока (6, 7, на концах проводника 3 возникает напряжение, изменяющееся во времени с частотой модуляции колебаний генератора Ωг, модулированное сообщением Ωс радиосигнала.

Это напряжение подается на вход полосового фильтра 4, который настроен на частоту модуляции колебаний генератора Ωг и не пропускает на выход фильтра 4 составляющую спектра с частотой сообщения Ωс, а также частично просачивающееся в проводнике 3 высокочастотное напряжение радиосигнала и генератора.

Селекция модулированных радиосигналов в заявленном устройстве осуществляется путем изменения частоты генератора без изменения частоты модуляции Ωг.

При совпадении частоты колебаний генератора с частотой модулированного радиосигнала, поступающего из антенны, в области двухпроводных линий 1, 2 формируется неоднородное по амплитуде электрическое поле, под воздействием которого в проводнике 3 возникает напряжение с частотой модуляции Ωг колебаний генератора, модулированное сообщением Ωс радиосигнала. При этом в спектре преобразованного радиосигнала не возникает комбинационных составляющих и, следовательно, при использовании заявляемого устройства для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов не образуются побочные каналы приема, свойственные известным устройствам аналогичного назначения.

Таким образом, селекция и преобразование частоты модулированных радиосигналов на линиях с распределенными параметрами осуществляется благодаря тому, что сила высокочастотного давления на электроны проводимости и обусловленный ею ток в проводнике 3 с частотой модуляции колебаний генератора, модулированный сообщением радиосигнала, пропорциональны градиенту квадрата амплитуды высокочастотного модулированного пространственно неоднородного электрического поля в области линий с распределенными параметрами.

Прием сигналов радиовещательных станций с использованием заявляемого устройства подтверждает его работоспособность.

Устройство для селекции и преобразования частоты модулированных радиосигналов, содержащее фильтр и двухпроводную линию, к входу которой подведен модулированный радиосигнал, а между ее проводами параллельно им размещен проводник той же длины, который присоединен к фильтру, при этом длины двухпроводной линии и проводника выбраны не менее одной десятой длины волны модулированного сигнала, отличающееся тем, что соосно с двухпроводной линией, к входу которой подведен модулированный радиосигнал, введена другая двухпроводная линия той же длины и к ее входу подведен сигнал от генератора модулированных колебаний, несущая частота которых совпадает с несущей частотой модулированного радиосигнала, а частота модуляции выше частоты модуляции радиосигнала, при этом двухпроводные линии порознь нагружены на сопротивление, равное волновому сопротивлению линии, и по направлению бегущих в них волн ориентированы встречно, а проводник, размещенный между проводами двухпроводных линий параллельно им присоединен к входу полосового фильтра, настроенного на частоту модуляции колебаний генератора.

Микрополосковые устройства частотной селекции на основе двухмерного фотонного кристалла

Беляев Б. А., Ходенков С. А., Афонин А. О.

Микрополосковые устройства частотной селекции на основе двухмерного фотонного кристалла [Текст] // Технические науки: проблемы и перспективы: материалы III Междунар. науч. конф. (г.

Санкт-Петербург, июль 2015 г.). — СПб.: Свое издательство, 2015. — С. 25-28. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/126/8491/ (дата обращения: 29.09.2018).

На основе двухмерного фотонного кристалла разработаны полосно-пропускающий фильтр, диплексер и двухполосный фильтр. Во всех микрополосковых конструкциях, имеющих высокие частотно-селективные свойства, внутренние протяженные четвертьволновые резонаторы расположены в два ряда.

Ключевые слова: фильтр, диплексер, двухмерный фотонный кристалл.

Как известно [1], двумерные (2D) фотонные кристаллы представляют собой особый тип естественных и искусственных структурноорганизованных сред, неоднородности в которых меняются периодически в двух измерениях с характерным пространственным масштабом периодичности порядка оптической длины волны [2].

В настоящее время широко исследуются свойства искусственных фотонных кристаллов и активно разрабатываются перспективные устройства на их основе, в том числе и микрополосковые [3, 4]. В настоящей работе предложены три микрополосковые конструкции на основе 2-D фотонного кристалла с пространственной размерностью 32 (три вдоль оси х, две вдоль оси y).

Все они синтезированы с помощью электродинамического численного анализа 3D моделей. В расчетах использовались подложки, имеющие высокую диэлектрическую проницаемость ε = 80 и толщину h = 1 мм.

При этом внутренние полосковые проводники, расположенные в два ряда являются аналогами двухмерно расположенных протяженных неоднородностей в структуре фотонных кристаллов.

Первое частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый полосно-пропускающий фильтр (рис. 1а). Его внутренние протяженные полосковые проводники 2–5 заземлены на основание со стороны краев подложки, поэтому они являются четвертьволновыми резонаторами.

Каждый из шести таких резонаторов имеет по одной нижайшей моде колебаний, частоты которых попадают на частоты полосы пропускания (ПП) и участвуют в ее формировании.

Дополнительно для повышения частотно-селективных свойств фильтра используются нерегулярные полуволновые резонаторы, полосковые отрезки которых 1а–1в свернуты.

Частотно-селективные свойства этой СВЧ конструкции значительно улучшают наблюдаемые на амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) полюса затухания мощности (рис.

1б), которые не только приводят к существенному росту крутизны обоих склонов полосы пропускания, но и способствуют усилению подавления мощности на частотах низкочастотной (более 105 дБ) и расширенной высокочастотной (более 50 дБ) полос заграждения.

Рис. 1. Топология полосковых проводников полосно-пропускающего фильтра (а) и его АЧХ (б)

Фильтр имеет относительную ширину полосы пропускания Df/f0≈20 %, измеренную по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь, которые составляли величину Lmin≈-1.4 дБ на центральной частоте ПП f0≈1.0 ГГц.

Второе частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый диплексер (рис. 2а). Его внутренние полосковые проводники 2–5 также заземлены на основание и являются четвертьволновыми резонаторами.

По сравнению с предыдущей конструкцией (см. рис. 1а) выходной проводник связи 1а–1в отсутствует, а точки кондуктивного подключения расположены на внутренних полосковых проводниках 2 и 4.

Принцип действия микрополоскового диплексера заключается в следующем: сигнал, поступающий на вход, разделяется по каналам, при этом более короткие полосковые проводники-резонаторы первого ряда 2, 3 формируют тремя резонансами полосу пропускания I (рис. 1б), обработанный сигнал снимается с выхода 1. Более длинные резонаторы второго ряда 4, 5, аналогично, формируют полосу пропускания II, сигнал снимается с выхода 2.

Рис. 2. Топология полосковых проводников диплексера (а) и его АЧХ (б)

Высокие частотно-селективные свойства этой СВЧ конструкции также обусловлены сильной крутизной склонов полос пропускания, значительным подавлением мощности на частотах низкочастотной и расширенной высокочастотной полос заграждения.

Относительная ширина полосы пропускания I и II диплексера составила Df/f0≈9.5 %, измеренные по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь (Lmin≈-1.4 дБ) на центральной частоте низкочастотной полосы пропускания f0≈0.

93 ГГц и высокочастотной — f0≈1.03 ГГц.

Стоит отметить, что количество резонаторов в рядах может быть увеличено. При этом простота настройки диплексера с улучшенными частотно-селективными свойствами обусловлена тем, что настройка полос пропускания I и II по частоте и относительной ширине осуществляется практически независимо.

Третье частотно-селективное устройство представляет собой микрополосковый двухполосный фильтр (рис. 3а). В отличие от предыдущих конструкций, в нем проводники связи заземлены на основание с обоих концов, но при этом крайние регулярные резонаторы также являются полуволновыми.

Рис. 3. Топология полосковых проводников двухполосного фильтра (а) и его АЧХ (б)

Аналогично, как и в конструкции диплексера, более короткие полосковые проводники первого ряда 2, 3 формируют высокочастотную полосу пропускания I тремя резонансами, более длинные проводники второго ряда 4, 5 — низкочастотную II (рис. 3б). Настройка такого фильтра осуществляется следующим образом: понижение и повышение центральных частот первой и второй полос пропускания в основном осуществляется удлинением и сокращением длин полосковых проводников в рядах. А уменьшение и увеличение ширины проводников — позволяет корректировать уровень обратных потерь в ПП. Раздвижка и сближение полос пропускания в основном осуществляется увеличением и сокращением разницы длин проводников рядов, а изменение зазора между ними позволяет регулировать их относительную ширину.

Отметим, что при настройке АЧХ, для получения более симметричных полос пропускания, размеры крайних проводников 1 подбирались таким образом, чтобы их нижайшая мода вносила наименьший вклад в формирование полос пропускания.

Относительная ширина низкочастотной и высокочастотной полос пропускания фильтра совпадает и равна Df/f0≈9.7 %, измеренных по уровню -3 дБ от уровня минимальных потерь Lmin≈-1.2 дБ и Lmin≈-1.6 дБ на центральной частоте полосы пропускания f0≈0.94 ГГц и f0≈1.06 ГГц, соответственно.