УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА
PULSE SIGNAL AMPLIFIER

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к области обработки импульсов, и может быть использовано в различных технических, в том числе радиофизических, системах для усиления импульсов в различных системах передачи и приема информации и в других технических импульсных системах.
Известны устройства усиления импульсных сигналов (см., например, сс.266-268 в кн. Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.А.Ляховкин и др. / Под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь. 1980, 328 с.; сс.116-130, 232-241; в кн. Белов Л.А. Радиопередающие устройства / Л.А.Белов, М.В.Благовещенский, В.М.Богачев и др. / Под ред. М.В.Благовещенского, Г.М.Уткина. М.: Радио и связь. 1982, 408 с.; сс.109-112, 340-343, 376-382; в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с.).
Из известных наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для усиления импульса, описанное на сс. 109-112, 340-343, 376-382 в кн. Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком. 2007, 542 с. Устройство содержит смеситель, генератор синусоидального колебания, генератор модулирующего колебания, усилитель, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора синусоидального колебания соединен с первым входом смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего колебания, а частота модулирующего колебания выбрана меньше частоты синусоидального колебания. В данном устройстве сформированный импульсный сигнал (или как одиночный импульс, или как последовательность (пачка) импульсов) усиливается за счет непосредственного усиления высокочастотной, модулированной составляющей (несущего колебания) радиоимпульса. Низкочастотное (сравнительно с несущим колебанием усиливаемого импульса) модулирующее колебание, определяющее огибающую, является неотъемлемой частью результата модуляции высокочастотных колебаний - составляющих радиоимпульса (несущего колебания). Огибающей радиоимпульса, при этом, признается условная кривая, огибающая высокочастотное заполнение (несущую) радиоимпульса, описывающее аппроксимированное изменение амплитуды такого заполнения (несущего колебания). То есть усиление основного сигнала (несущего колебания радиоимпульса) влечет и увеличение амплитуды его модуляции (в абсолютном значении).
Усиление пачки импульсов производится как усиление каждого из импульсов, входящих в такую пачку. При этом пачка импульсов - условная последовательность сформированных одиночных импульсов. То есть понятие пачки импульсов носит условный характер.
Однако в случае большой частоты повторения импульсов, или в случае использования импульсов более сложных форм, или сверхкоротких импульсов наличествует большее количество колебаний заполнения импульса. Поэтому в известном устройстве возникают технические проблемы с усилением таких импульсов вследствие резонансной настройки усилителя или недостаточности его полосы пропускания (даже в случае широкополосных усилителей). Кроме того, усиление импульсов в составе пачки, следующих с малой скважностью (с большой частотой повторения) приводит к увеличению шумов, т.к. при близкорасположенных (во времени) импульсах накачка энергии производится не только в сами радиоимпульсы, но и в течение пауз между импульсами производится насыщение энергией на частоте модулируемого колебания, что обуславливает необходимость фильтрации мощных помех, связанной с техническими затруднениями. Помимо этого известное устройство не обеспечивает усиление солитонов.
Кроме того, изготовление данного устройства связано с использованием полупроводниковых радиоэлектронных и иных компонентов, выполненных на основе редкоземельных элементов или получаемых с использованием специальных (в том числе, нано-) технологий, что повышает его стоимость и приводит к значительным экономическим издержкам при использовании.
Таким образом, возникают технические проблемы и затруднения при усилении сверхширокополосных импульсов, пачек импульсов (с большой частотой повторения импульсов - с малой скважностью), а также при усилении импульса с априори неизвестными параметрами и характеристиками.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение усиления импульсных сигналов с априори неизвестными параметрами и характеристиками, сверхширокополосных импульсов, импульсов, в составе пачек импульсов, следующих с большой частотой повторения, а также минимизация помех, возникающих между импульсами (по сравнению с известным устройством), при усилении их в составе пачки импульсов.
Технический результат выражается в создании устройства усиления импульсных сигналов - как одиночных импульсов, так и импульсов в составе пачки импульсов, в котором реализуется усиление импульсов, при априори неизвестных параметрах и характеристиках импульсов, а также реализуется усиление сверхширокополосных импульсов, импульсов, в составе пачек импульсов, следующих с большой частотой повторения.
Результат достигается тем, что в устройство для усиления импульсного сигнала, содержащее первый смеситель, генератор синусоидального колебания, генератор первого модулирующего колебания и усилитель, выход которого является выходом устройства, при этом выход генератора синусоидального колебания соединен с первым входом первого смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора первого модулирующего колебания, а частота первого модулирующего колебания выбрана меньше частоты синусоидального колебания, введены второй смеситель и генератор второго модулирующего колебания, причем выход первого смесителя соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом генератора второго модулирующего колебания, а выход второго смесителя соединен со входом упомянутого усилителя, который выполнен как усилитель сигнала на частоте второго модулирующего колебания с полосой пропускания, обеспечивающей пропускание упомянутого синусоидального колебания и первого модулирующего колебания, при этом частота второго модулирующего колебания выбрана меньше частоты первого модулирующего колебания.
На дату подачи материалов заявки авторам не известны технические решения, совокупность существенных отличительных признаков которых совпадает с заявляемой.
Функциональная схема устройства для усиления импульсного сигнала представлена на чертеже.
Устройство включает в себя первый смеситель 1, первый вход 2 которого соединен с выходом генератора 3 синусоидального колебаний, а второй вход 4 - с выходом генератора 5 первого модулирующего колебания. Выход первого смесителя 1 соединен с первым входом 6 второго смесителя 7, второй вход 8 которого соединен с выходом генератора 9 второго модулирующего колебания. Выход второго смесителя 7 соединен со входом усилителя 10. Выход 11 усилителя 10 является выходом устройства.
Предлагаемое устройство для усиления импульсного сигнала функционирует, например, следующим образом.
o
о
Генератор 3 синусоидального колебания формирует некоторое высокочастотное несущее колебание u(t) (с частотой ω), подаваемое на первый вход 2 первого смесителя 1:
o
o
о
где u(t) - несущее (модулируемое) синусоидальное колебание; U - амплитуда несущего колебания; ω - частота несущего колебания; t - параметр времени.
м1
1
На второй вход 4 первого смесителя 1 с выхода генератора 5 первого модулирующего колебания подается сформированное низкочастотное первое модулирующее колебание U(t) (с частотой Ω):
м1
м1
1
где U(t) - первое модулирующее колебание; U - амплитуда первого модулирующего колебания; Ω - частота первого модулирующего колебания.
1
o
Генератор 3 и генератор 5 могут быть выполнены по стандартной схеме автогенератора (например, описываемого на сс.39-43 в кн.: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л. П.Яйленко. К.: Технiка, 1984. 264 с.). Отличия генераторов в данном случае определяются типами используемых полупроводниковых элементов, связанных с частотами формируемых колебаний, так как частота первого модулирующего колебания выбирается меньшей частоты синусоидального колебания. То есть, Ω<ω. Первый смеситель 1 может быть выполнен по схеме, описываемой, например, на сс.34-37 в кн.: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л. П.Яйленко. К.: Технiка, 1984. 264 с.; сс.384-396 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 542 с.; сс.115-128 в кн.: Поляков В.Т. Радиолюбителям о технике прямого преобразования / В.Т.Поляков. М.: Патриот, 1990. 264 с., а также на сс. 156-171 в кн.: Клягин Л.Е. Радиопередающие устройства / Л.Е.Клягин, В.Б.Козырев, А.Л.Ляховкин и др. / Под ред. В.В.Шахгильдяна. М.: Связь, 1980. 328 с.; сс.327-329 в кн.: Ленк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство / Дж.Ленк. М.: Мир, 1985. 343 с.
В целом первая модуляция синусоидального колебания в данном случае представляет собой процесс формирования импульсного сигнала: импульса или пачки импульсов (как последовательности импульсов). То есть совокупность элементов устройства - генератор 3 синусоидальных сигналов, генератор 5 первого модулирующего колебания и первый смеситель 1 - представляют собой формирователь импульсного сигнала: импульса или пачки импульсов, подлежащих дальнейшему усилению.
То есть на выходе первого смесителя 1 будет наличествовать импульсный сигнал - смешанный (в частных случаях - суммированный) сигнал - результат смешивания (в частном случае - сложения) синусоидального и первого модулирующего колебаний, (см., например, сс.107-112, 384-386 в кн.: Каганов В.И. Основы радиоэлектроники и связи / В.И.Каганов, В.К.Битюков. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 542 с.):
и
где u(t) - результирующий, модулированный сигнал (импульс, в частности - радиоимпульс); m - уровень (глубина) модуляции, в данном случае:  или (при m≈1 или m>1) для уровня модуляции  с условием m≤1:
1
о
1
о
о
1
при этом за счет использования различных частот настройки генератора 3 и генератора 5 обеспечивается разность (Ω-ω) (учитывая, что Ω<ω), рассматриваемая как модуль, что соответствует значению частоты (ω-Ω).
Полученный в результате первой модуляции сигнал (одиночный импульс или пачка импульсов) с выхода первого смесителя 1 подается на первый вход 6 второго смесителя 7 (который может быть изготовлен аналогично первому смесителю 1, с учетом отличия используемых частот, что достигается использованием разных активных элементов, например, транзисторов). На второй вход 8 второго смесителя 7 с выхода генератора 9 подается второе модулирующее колебание:
м2
2
2
о
2
1
2
1
о
м2
м2
где U(t) - второе модулирующее колебание на частоте Ω, т.е. колебание, модулирующее импульсный сигнал: импульс или пачку импульсов (с условием соответствия частот Ω<ω, Ω<Ω или Ω<Ω<ω); U - амплитуда второго модулирующего колебания U(t)).
Генератор 9 может быть изготовлен аналогично генераторам 3 и 5, с учетом указанного условия соответствия частот (что достигается использованием разных активных элементов, например, транзисторов).
2
Во втором смесителе 7 модулированное синусоидальное колебание - импульсный сигнал (импульс или пачка импульсов) модулируется вторым модулирующим колебанием с частотой Ω.
На выходе второго смесителя 7 имеем модулированный сигнал - импульс или пачка импульсов, полученный в порядке смешивания (или, в частном случае, в порядке сложения) колебаний (сигналов):
- в порядке смешивания:
2
о
2
1
- в порядке суммирования (при условиях Ω<ω, Ω<Ω):
В частном случае результирующий сигнал может иметь (в случае суммирования) форму:
м
2
м2
Полученный сигнал u(t) с выхода второго смесителя 7 подается на усилитель 10, в котором производится усиление амплитуды второго модулирующего колебания на частоте Ω, что приводит и к усилению амплитуды его высокочастотного заполнения, в том числе и к усилению импульса (или пачки импульсов), входящего в состав названного высокочастотного заполнения (что следует из анализа выражений (6)-(8), для случая увеличения амплитуды U).
2
1
о
При этом усилитель 10 может быть изготовлен по схеме широкополосного усилителя с усилением на выбранной частоте Ω и пассивной полосой пропускания на более высоких частотах, включающих частоты Ω, ω, соответственно, например, описанию на сс. 173-176 в кн.: Бунин С.Г. Справочник радиолюбителя-коротковолновика / С.Г.Бунин, Л. П. Яйленко. К.: Технiка, 1984. 264 с.
Таким образом, на выходе устройства (выходе 11 усилителя 10) будет наличествовать усиленный импульсный сигнал - импульс или пачка импульсов, что показано теоретически и доказано экспериментально.
2
1
о
В случае существования импульса в составе пачки импульсов следует указать, что пачка импульсов является условным понятием, определяемым как условная последовательность сформированных импульсов. Так как при априори неизвестных параметрах и характеристиках, невозможно определить, какое место в такой последовательности занимает необходимый импульс (который требуется усилить), то в известном устройстве осуществлялось усиление всей пачки импульсов, которое реализовывалось усилением каждого из импульсов в такой пачке (что является затруднительным при малой скважности и при широкополосности импульсов). В предлагаемом техническом решении осуществляется усиление именно требуемого импульса. Это обеспечивается выбором частот первого и второго модулирующих колебаний из условия из Ω<Ω<ω. При этом лучший результат достигается в случае, если усиливаемый импульс (пачка импульсов, если неизвестно какое место в пачке занимает усиливаемый импульс) вписывается в полупериод второго модулирующего колебания, что позволяет усиливать требуемый импульс (пачку импульсов) с минимизированием искажений, возникающих при его усилении на краях временнóго промежутка, занимаемого таким импульсом (пачкой импульсов). Дополнительное усиление других импульсов в составе той же пачки является еще одним преимуществом предлагаемого технического решения.
То есть рассматриваемое устройство для усиления импульса обеспечивает усиление импульса с априори неизвестными параметрами и характеристиками, как и при неизвестном положении в пачке импульсов.
Частотными характеристиками второго смесителя и усилителя обеспечивается возможность усиления импульсного сигнала в виде импульса (в частности, в составе пачки импульсов) имеющего широкий спектр (сверхширокополосных импульсов), сверхкороткого импульса (в том числе, солитона), а также (при использовании широкополосного усилителя) усиления импульсов с априори неизвестными параметрами (в частности, вследствие того, что при использовании широкополосного усилителя не имеет значения фаза модулирующих колебаний и синусоидального колебания, т.к. усиление сигналов производится независимо от их фазы - за счет преобразования энергии питания по постоянному току в энергию, накачиваемую во второе модулирующее колебание, что усиливает и высокочастотное заполнение такого колебания, рассматриваемого как огибающую импульса (пачки импульса)).
К преимуществам рассмотренного устройства относится возможность использования более простых и экономически выгодных полупроводниковых приборов (активных элементов, транзисторов) для усиления высокочастотных сигналов (импульсов, пачек импульсов) за счет усиления низкочастотной огибающей, что способствует широкому использованию такого устройства и обеспечивает высокую экономическую эффективность его применения.
2
о
Кроме того, т.к. в рассматриваемом устройстве производится усиление импульсного сигнала: импульса или пачки импульсов (как последовательности импульсов) вследствие усиления низкочастотной огибающей (второго модулирующего колебания с частотой Ω), то при производимом усилении не синтезируются высокочастотные помехи (на частоте ω несущего синусоидального колебания) в промежутке между импульсами в пачке импульсов, что решает поставленную задачу минимизировать высокочастотные шумы, возбуждаемые вследствие усиления импульсного сигнала.