Устройство измерения несущей частоты с использованием паразитных гармоник РЛС
DEVICE FOR MEASURING CARRIER FREQUENCY USING PARASITIC HARMONICS OF RS

Известно устройство измерения несущей частоты СВЧ-сигналов [1], находящее применение в задачах радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Устройство измерения несущей частоты СВЧ-сигналов состоит из входного широкополосного усилителя, набора линий задержки, фазовых корреляторов, аналого-цифровых преобразователей, вычислительного устройства и устройства управления.
Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки, минимальное и максимальное время задержки которых для достижения заданной точности и диапазона рабочих частот должны отличаться в несколько раз. Другим недостатком указанного устройства является узкий диапазон рабочих частот, который ограничивается сложностью проектирования и изготовления широкополосной линии задержки с большим временем задержки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство измерения несущей частоты СВЧ-сигналов [2]. Устройство измерения несущей частоты СВЧ-сигналов состоит из входного широкополосного усилителя-ограничителя, входного полосового СВЧ-фильтра, набора линий задержки, фазовых корреляторов, вычислительного устройства.
Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки, минимальное и максимальное время задержки которых, для достижения заданной точности и диапазона рабочих частот должны отличаться в несколько раз. Другим недостатком указанного устройства является узкий диапазон рабочих частот, который ограничивается сложностью проектирования и изготовления широкополосной линии задержки с большим временем задержки.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы при сохранении точности измерения частоты.
Целью изобретения является снижение громоздкости устройства за счет использования паразитных гармоник радиолокационных станций (РЛС) и замены длинных линий задержки на короткие.
Заявленный результат достигается тем, что в устройство, состоящее из первой, второй и третьей линий задержки, первого, второго  и третьего фазовых детекторов, решающего устройства, причем выходы первой, второй и третьей линии задержки подключены к одному из входов первого, второго и третьего фазовых детекторов соответственно, а выходы первого, второго и третьего фазовых детекторов подключены к входам решающего  устройства, дополнительно введены частотный разветвитель, первый, второй и третий усилитель-ограничитель, первый, второй и третий полосовой фильтр, первый, второй и третий делители модности на два,  причем входы первой, второй и третьей линии задержки подключены к одному из выходов первого, второго и третьего делителей мощности на два соответственно, другой выход первого, второго и третьего делителей мощности на два подключен ко второму входу первого, второго и третьего фазовых детекторов соответственно, входы первого, второго и третьего делителей мощности на два подключены к выходам первого, второго и третьего полосовых фильтров  соответственно, входы первого, второго и третьего полосовых фильтров  подключены к выходам первого, второго и третьего усилителей-ограничителей соответственно, входы первого, второго и третьего усилителей-ограничителей подключены к первому, второму и третьему выходу частотного разветвителя соответственно.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фигурах 1,2. На фиг.1 представлена структурная схема устройства измерения несущей частоты с использованием паразитных гармоник РЛС. Устройство измерения несущей частоты с использованием паразитных гармоник РЛС содержит: частотный разветвитель 1, усилители-ограничители 2.1...2.3,  полосно-пропускающие СВЧ-фильтры 3.1...3.3, делители 4.1...4.3 СВЧ-мощности на два, линии задержки 5.1…5.3, фазовые детекторы 6.1…6.3, вычислительное устройство 7.
На фиг.2 представлена дискриминационная характеристика фазовых детекторов, цифрами 1,2,3 обозначены напряжения на выходе фазовых детекторов 6.1, 6.2, 6.3 соответственно.
0
0
0
н
н
н
н
н
н
н
н
Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Известно, что передатчики мощных РЛС для достижения больших дальностей обнаружения работают в режиме насыщения [3], обеспечивающем наибольшую выходную мощность. Передатчик РЛС может быть выполнен на электронных [4] или твердотельных приборах [3]. При этом спектр излучения РЛС содержит значительные уровни второй и третьей гармоники несущей частоты [5]. Входной гармонический сигнал с частотой f, второй и третьей паразитными гармониками с частотами 2f и 3f соответственно воздействует на вход устройства. Частотный разветвитель 1 пропускает на первый выход (вход полосового фильтра 2.1) сигнал  несущей с частотой от f до в 1,9f, где f – нижняя частота диапазона измеряемых частот. На второй выход частотного разветвителя 1 (вход полосового фильтра 2.2) проходят сигналы второй гармоники несущей частоты РЛС, лежащие в диапазоне частот от 2f до в 3,8 f. На третий выход частотного разветвителя 1 (вход полосового фильтра 2.3) проходят сигналы третьей гармоники несущей частоты РЛС, лежащие в диапазоне частот от 4f до в 5,7f. Диапазон частот первого выхода частотного разветвителя 1 выбран меньше октавы для исключения прохождения сигнала несущей частоты на второй выход частотного разветвителя 1. Нижняя частота полосы пропускания третьего выхода частотного разветвителя 1 смещена вверх до 4f для исключения прохождения сигнала второй гармоники несущей частоты на третий выход частотного разветвителя 1. С выходов частотного разветвителя 1 сигналы несущей частоты и паразитных гармоник поступают соответственно на входы усилителей-ограничителей 2.1...2.3. С выходов усилителей-ограничителей 2.1...2.3 сигналы несущей частоты и паразитных гармоник поступают на входы полосовых фильтров 3.1...3.3. Полосовые фильтры 3.1...3.3 предназначены для фильтрации паразитных гармоник, возникающих при усилении-ограничении в усилителях-ограничителях 2.1...2.3, полосы пропускания полосовых фильтров 3.1...3.3 совпадают  с полосами пропускания соответствующих выходов частотного разветвителя 1. С выходов полосовых фильтров 3.1...3.3 сигналы несущей частоты и паразитных гармоник поступают на входы делителей мощности 4.1...4.3. Делители мощности 4.1...4.3 производят деление сигнала несущей частоты, второй и третьей гармоники соответственно  по мощности на две части. Первая часть сигнала несущей частоты, второй и третьей гармоники поступает на вход линии задержки 5.1, 5.2, 5.3 соответственно. С выхода линии задержки 5.1, 5.2, 5.3 часть сигнала несущей частоты, второй и третьей гармоники соответственно поступает на один из входов фазового детектора 6.1, 6.2, 6.3 соответственно. Вторая часть сигнала несущей частоты, второй и третьей гармоники с выхода делителя мощности 4.1, 4.2, 4.3 соответственно поступает на вход фазового детектора 6.1, 6.2, 6.3 соответственно. Фазовые детекторы 6.1...6.3 преобразуют разность фаз задержанного (прошедшего через линию задержки) и незадержанного  сигналов в напряжение. Напряжения на выходе фазовых детекторов 6.1...6.3 имеют вид:
1
2
3
где A, A, A– коэффициенты пропорциональности;
1
2
3
τ, τ, τ – время задержки линий задержки 5.1, 5.2, 5.3 соответственно;
f – частота входного сигнала.
Время задержки линии задержки 5.1 выбирается таким образом, чтобы  напряжение на выходе фазового детектора 6.1 имело в рабочем диапазоне частот однозначную характеристику [6]. Время задержки линий задержки 5.2, 5.3 выбирается исходя из требований погрешности измерения частоты [7]. Вычислительное устройство 7 по напряжениям от фазовых детекторов 6.1...6.3 определяет частоту входного сигнала. При этом напряжение от фазового детектора 6.1 используется для устранения неоднозначности измерения частоты по напряжения от фазовых детекторов 6.2, 6.3.
Из выражений 2 и 3 видно, что использование второй и третьей гармоники несущей частоты РЛС позволяет в два и три раза соответственно сократить длину линий задержки 5.2 и 5.3 по сравнению с устройством прототипом. Уменьшение требуемого времени задержки линий задержки позволяет сократить габаритные размеры измерителя. Из описания принципа работы также ясно, что указанное устройство может быть модифицировано для использования паразитных гармоник более высокого порядка.
Список использованных источников
1. Schmidt, R.O. Simultaneous signals IFM receiver using plural delay line correlators. Патент США на изобретение №5440228.
2. Tsui, J.B.Y., Hedge, J.N. Instantaneous frequency measurement (IFM) receiver with two signals capability. Патент США на изобретение №5291125.
3. Zhencheng, C. L-Band High Power Solid State Transmitter For Modern Radar System/ C. Zhencheng, Q Hongbing, H. Dingzhu, C. Qijie// Proceedings of International Radar Conference. – 1996. – pp. 171 – 174.
4. Справочник по радиолокации: в 4-х т. / под ред. М. Сколника. М.: Сов. радио, 1976–1979.
5. Ghosh, T. K. Improvements in Performance of Broadband Helix Traveling-Wave Tubes/ T. K. Ghosh, A. J. Challis, A. Jacob, D. Bowler, R. G. Carter// IEEE Transactions on electron devices. - №2. – VOL55. – 2008. – pp. 668 – 673.
6. Biehl, M. A 4 bit Instantaneous Frequency Meter at 10 GHz with Coplanar YBCO Delay Lines/ M. Biehl, A. Vogt, R. Herwig, M. Neuhaus, E. Crocoll, R. Lochschmied, T. Scherer, W. Jutzi// IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 1995. – VOL5. – Issue2. – pp. 2279 – 2282.
7. de Oliveira, B.G.M. A New Coplanar Interferometer for a 5-6 GHz Instantaneous Frequency Measurement System/ B. G. M. de Oliveira, F. R. L. e Silva, M. T. de Melo, L. R. G. S. L. Novo// IEEE MTT-S International Microwave & Optoelectronics Conference. – 2009. – pp. 591 – 594.