Широкополосный измеритель частоты СВЧ-сигналов с предварительным умножением частоты и одной линией задержки (варианты)
BROADBAND FREQUENCY METER FOR MICROWAVE SIGNALS WITH FREQUENCY PRE-MULTIPLICATION AND ONE DELAY LINE (VERSIONS)

Известно устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов [1]. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя, набора линий задержки, фазовых детекторов, 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. Еще одним недостатком  указанного устройства является невысокая чувствительность устройства, ограничиваемая погонными потерями в длинных линиях задержки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов [2]. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя-ограничителя, входного полосового СВЧ фильтра, набора линий задержки, преобразователей частоты (умножителей частоты, делителей частоты, умножителей и делителей частоты в зависимости от варианта) фазовых детекторов, вычислительного устройства.
Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы устройства.
Целью изобретения является снижение громоздкости устройства за счет использования одной линии задержки с предварительным преобразованием частоты входного сигнала путем деления и/или умножения и последующим частотным разделением сигналов.
Заявленный результат достигается тем, что в устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого делителя СВЧ мощности на N, N умножителей частоты, входы которых соединены с выходами делителя СВЧ мощности на N, N фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены N-портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами умножителей частоты, синфазный делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом N-портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов  синфазного делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на N, выходы второго делителя мощности на N соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых N, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Заявленный результат также достигается тем, что в устройство широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого делителя СВЧ мощности на M, M делителей частоты, входы которых соединены с выходами делителя СВЧ мощности на M, M фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены M-портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами делителей частоты, синфазный делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом M-портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов  синфазного делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход синфазного двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на M, выходы второго делителя мощности на M соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых M, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Заявленный результат достигается также в устройстве широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов, состоящего из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, первого синфазного делителя СВЧ мощности на N+M, N умножителей частоты, входы которых соединены с выходами синфазного делителя мощности на N+M, M делителей частоты, входы которых соединены с выходами синфазного делителя мощности на N+M, N+M фазовых детекторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, в которое дополнительно введены N+M портовый сумматор СВЧ мощности, входы которого соединены с соответствующими выходами умножителей частоты и делителей частоты, делитель СВЧ мощности на два, вход которого соединен с выходом N+M портового сумматора СВЧ мощности, при этом один из выходов  делителя СВЧ мощности на два соединен с первым входом двух-портового сумматора СВЧ мощности, а второй выход с входом линии задержки, выход линии задержки соединен со вторым входом двух-портового сумматора СВЧ мощности, выход двух-портового сумматора СВЧ мощности соединен с входом второго делителя СВЧ мощности на N+M, выходы второго делителя СВЧ мощности на N+M соединены с соответствующими полосовыми фильтрами, общее количество которых N+M, выходы полосовых фильтров соединены с входами соответствующих фазовых детекторов.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фигурах 1,2,3. На фиг.1 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с умножителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 1, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 2, делитель 3 СВЧ мощности на N, умножители частоты 4.1…4.N, N портовый сумматор 5 СВЧ мощности, синфазный делитель 6 СВЧ мощности на два, линию 7 задержки, синфазный двух-портовый сумматор 8 СВЧ мощности, делитель 9 СВЧ мощности на N, полосно-пропускающие фильтры 10.1…10.N, фазовые детекторы 11.1…11.N, вычислительное устройство 12.
На фиг.2 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с делителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 13, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 14, делитель 15 СВЧ мощности на M, делители частоты 16.1…16.M,  M портовый сумматор 17 СВЧ мощности, синфазный делитель 18 СВЧ мощности на два, линию 19 задержки, синфазный двух-портовый сумматор 20 СВЧ мощности, делитель 21 СВЧ мощности на M, полосно-пропускающие фильтры 22.1…22.M, фазовые детекторы 23.1…23.M, вычислительное устройство 24.
На фиг.3 представлена структурная схема широкополосного измерителя частоты СВЧ сигналов с умножителями и делителями частоты. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной широкополосный усилитель-ограничитель 25, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 26, делитель 27 СВЧ мощности на N+M, умножители частоты 28.1…28N, делители частоты 29.1…29.M, N+M портовый сумматор 30 СВЧ мощности, синфазный делитель 31 СВЧ мощности на два, линию 32 задержки, синфазный двух портовый сумматор 33 СВЧ мощности, делитель 34 СВЧ мощности на N+M, полосно-пропускающие фильтры 35.1…35.N+M, фазовые детекторы 36.1…36. N+M, вычислительное устройство 37.
На фиг.4 представлена дискриминационная характеристика фазовых корреляторов.
0
н
н
н
1
2
3
N
N
3
2
1
1
0
2
0
3
0
N
0
1
0
2
0
3
0
N
0
1
0
2
0
3
0
N
0
1
1
0
2
2
0
3
3
0
N
N
0
1
0
2
0
3
0
N
0
1
0
2
0
3
0
N
0
1
н
1
н
2
н
2
н
3
н
3
н
N
н
N
н
n1
n2
n3
Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный  измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω поступает через усилитель-ограничитель 1 на полосно-пропускающий фильтр 2, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 2 определяется следующим образом f…1,9-1,95f, где f – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на делитель 3 СВЧ мощности на N, где происходит деление мощности входного сигнала на N равных частей. Умножители частоты 4.1…4.N осуществляют функцию умножения частоты и могут быть выполнены на основе диода или транзистора, работающего в нелинейном режиме, или в виде специализированной микросхемы. Коэффициенты умножения умножителей частоты 4.1…4.N выбраны из ряда 1,2,4…A полностью или с пропусками, где А - конечное число, предельный коэффициент умножения, выбираемый  из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте умножения частоты одного из умножителей равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал через делитель мощности поступает на вход N портового сумматора 5 непосредственно. Число умножителей 4.1…4.N, полосовых фильтров 10.1…10.N, фазовых детекторов 11.1…11.N определяется  рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты.  Предположим, что коэффициент умножения умножителя частоты 4.1 равен n, умножителя частоты 4.2  равен n, умножителя частоты 4.3   равен n, и так далее до n, причем n>…>n>n>n. При этом на выходах умножителей 4.1,4.2,…,4.N частоты получим сигналы с частотами nω, nω, nω,…, nω соответственно. N – портовый сумматор 5 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами nω, nω, nω,…, nω.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 6 делит сигналы с частотами nω, nω, nω,…, nω на две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 7 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 7 задержки  составят: θ=nωτ, θ=nωτ, θ=nωτ,…, θ=nωτ. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами  nω, nω, nω,…, nω поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 8 СВЧ мощности сигналы поступают на N-портовый делитель 9 СВЧ мощности, где происходит их деление на N равных частей по мощности. Выходы N-портового делителя 9 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 10.1…10.N, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами nω, nω, nω,…, nω соответственно. Полосы пропускания фильтров 10.1…10.3 задаются выражением nf…1,9-1,95nf, nf…1,9-1,95nf, nf…1,9-1,95nf,…,nf…1,9-1,95nf. Фазовые детекторы 11.1,11.2,11.3,…,11.N на основе задержанного и незадержанного сигнала формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PD – 1, PD – 2, PD - 3):
(1)
(2)
(3)
...
(4)
n1
n2
n3
nN
где A, A, A, A – коэффициенты пропорциональности;
1
2
3
N
n, n, n, n – коэффициенты умножения частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 11.1, имеет в рабочем диапазоне частот однозначную, но относительно пологую дискриминационную характеристику, по этой причине детектор 11.1 служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 11.2, 11.3,…,11.N имеют неоднозначные функции преобразования, крутизна которых выше по сравнению  с крутизной передаточной функции детектора 11.1. Детекторы 11.2…11.N служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 12 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 11.1,…,11.N.
0
н
н
н
1
2
3
M
M
2
1
0
1
0
2
0
M
0
1
0
2
0
M
0
1
0
2
0
3
1
0
1
2
0
2
M
0
M
0
1
0
2
0
M
0
1
0
2
0
M
н
1
н
1
н
2
н
2
н
M
н
M
m1
m2
m3
Широкополосный измеритель частоты также может быть реализован с применением делителей частоты. Широкополосный  измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω поступает через усилитель-ограничитель 13 на полосно-пропускающий фильтр 14, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 14 определяется следующим образом f…1,9-1,95f, где f – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на делитель 15 СВЧ мощности на M, где происходит деление мощности входного сигнала на M равных частей. Делители частоты 16.1…16.M осуществляют функцию деления частоты и могут быть выполнены на основе нелинейных элементов или специализированных микросхем делителей частоты. Коэффициенты деления делителей частоты 16.1…16.M выбраны из ряда 1,2,4…B полностью или с пропусками, где B - конечное число, предельный коэффициент деления, выбираемый  из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте деления частоты одного из делителей равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал через делитель мощности поступает на вход M портового сумматора 17 СВЧ мощности непосредственно. Число делителей 16.1…16.M частоты, полосовых фильтров 22.1…22.M, фазовых детекторов 23.1…23.M определяется  рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что коэффициент деления делителя частоты 16.1 равен m, делителя частоты 16.2  равен m, делителя частоты 16.3   равен m, и так далее до m, причем m>…>m>m. При этом на выходах делителей 16.1,16.2,…,16.M частоты получим сигналы с частотами ω/m, ω/m,…, ω/m. M – портовый сумматор 17 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами ω/m, ω/m,…,ω/m.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 18 делит сигналы с частотами ω/m, ω/m, ω/mна две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 19 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 19 задержки  составят: θ=ωτ/m, θ=ωτ/m,…,θ= ωτ/m. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами  ω/m, ω/m,…,ω/m поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 20 СВЧ мощности сигналы поступают на M-портовый делитель 21 СВЧ мощности, где происходит их деление на M равных частей по мощности. Выходы M-портового делителя 21 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 22.1…22.M, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами ω/m, ω/m,…,ω/m соответственно. Полосы пропускания фильтров 22.1…22.M задаются выражением f/m…1,9-1,95f/m, f/m…1,9-1,95f/m,…, f/m…1,9-1,95f/m.  Фазовые детекторы 23.1, 23.2,…, 23.M формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PD – 3, PD – 2, PD - 1):
(5)
(6)
(7)
...
(8)
m1
m2
m3
mM
где A, A, A, A – коэффициенты пропорциональности;
1
2
3
M
m,m,m,m – коэффициенты деления частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 23.M имеет в рабочем диапазоне частот однозначную, но относительно пологую дискриминационную характеристику, по этой причине детектор 23.M служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 23.1…23.M-1 имеют неоднозначные передаточные функции, крутизна которых выше по сравнению  с крутизной передаточной функции детектора 23.M. Детекторы 23.1…23.M-1 служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 24 предназначено для определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 23.1,…,23.M.
0
н
н
н
1
2
N
N
3
2
1
1
2
M
M
2
1
1
0
2
0
N
0
0
1
0
2
0
M
1
0
2
0
N
0
0
1
0
2
0
M
1
0
2
0
N
0
0
1
0
2
0
3
1
1
0
2
2
0
N
N
0
1
0
1
2
0
2
M
0
M
1
0
2
0
N
0
0
1
0
2
0
M
1
0
2
0
N
0
0
1
0
2
0
M
1
н
1
н
2
н
2
н
3
н
3
н
N
н
N
н
н
1
н
1
н
2
н
2
н
M
н
M
nN
mM
Широкополосный измеритель частоты также может быть реализован с применением делителей частоты и умножителей частоты. Входной гармонический СВЧ сигнал с круговой частотой ω поступает через усилитель-ограничитель 25 на полосно-пропускающий фильтр 26, ограничивающий входную полосу частот. Полоса пропускания фильтра 26 определяется следующим образом f…1,9-1,95f, где f – нижняя частота измеряемого диапазона частот. Далее сигнал поступает на синфазный делитель 27 СВЧ мощности, где происходит деление мощности входного сигнала на N+M равных частей. Умножители частоты 28.1…28.N осуществляют функцию умножения и могут быть выполнены на основе диода или транзистора, работающего в нелинейном режиме, или в виде специализированной микросхемы. Делители частоты 29.1…29.M осуществляют функцию деления частоты и могут быть выполнены на основе нелинейных элементов или специализированных микросхем. Коэффициенты умножения умножителей частоты 28.1…28.N выбраны из ряда 1,2,4…C полностью или с пропусками, где C - конечное число, предельный коэффициент умножения, выбираемый  из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. Коэффициенты деления делителей частоты 29.1…29.M выбраны из ряда 1,2,4…D полностью или с пропусками, где D - конечное число, предельный коэффициент деления, выбираемый  из условия физической реализуемости или заданной точности измерения частоты. При коэффициенте умножения частоты одного из умножителей или коэффициенте деления одного из делителей частоты равном 1 преобразования частоты не происходит, и входной сигнал поступает на соответствующий вход N+M портового сумматора 30 СВЧ мощности непосредственно. Число умножителей 28.1…28.N частоты, делителей 29.1…29.M частоты, фазовых детекторов 36.1…36.N+M определяется  рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты.  Предположим, что коэффициент умножения умножителя частоты 28.1 равен n, умножителя 28.2 частоты равен n и так далее до n, причем n>…>n>n>n.  Коэффициенты деления делителей частоты 29.1…29.M равны m, m,…  и так далее до m, причем m>…>m>m.. При этом на выходах умножителей 28.1,…,28.N частоты получим сигналы с частотами nω, nω,…,nω а на выходе делителей 29.1…29.M частоты получим сигнал с частотами ω/m, ω/m,…,ω/m.M+N – портовый сумматор 30 СВЧ мощности осуществляет суммирование сигналов с частотами nω, nω,…,nω и ω/m, ω/m,…,ω/m.Двух-портовый делитель СВЧ мощности 31 делит сигналы с частотами nω, nω,…,nω и ω/m, ω/m, ω/mна две равные по мощности части. Одна из частей поступает непосредственно на один из входов синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ-мощности. Вторая часть поступает на вход линии 32 задержки с временем задержки равным τ. Тогда фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходе линии 32 задержки  составят: θ=nωτ, θ=nωτ,…, θ=nωτ δ=ωτ/m, δ=ωτ/m,…, δ= ωτ/m. Далее, задержанные и незадержанные сигналы с частотами  nω, nω,…,nω и ω/m, ω/m,…,ω/m поступают на входы синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ мощности, где происходит их суммирование. С выхода синфазного двух-портового сумматора 33 СВЧ мощности сигналы поступают на N+M-портовый делитель 34 СВЧ мощности, где происходит их деление на N+M равных частей по мощности. Выходы N+M-портового делителя 34 СВЧ мощности соединены с соответствующими полосно-пропускающими фильтрами 35.1…35.N+M, которые осуществляют частотную селекцию задержанных и незадержанных сигналов с частотами nω, nω,…,nω и ω/m, ω/m,…,ω/m соответственно. Полосы пропускания фильтров 35.1…35.N задаются выражениями nf…1,9-1,95nf, nf…1,9-1,95nf, nf…1,9-1,95nf,…,nf…1,9-1,95nf. Полосы пропускания фильтров 35.N+1…35.M задаются выражениями f/m…1,9-1,95f/m, f/m…1,9-1,95f/m,…, f/m…1,9-1,95f/m.  Фазовые детекторы 36.1, 36.2,…, 36.N+M формируют следующие передаточные функции, вид которых показан на фигуре 4 (PD – 3, PD - 1):
(9)
...
(10)
(11)
...
(12)
n1
nN
m1
mM
где A, ..., A, A, ..., A – коэффициенты пропорциональности;
1
2
N
n,n, n – коэффициенты умножения частоты;
1
2
M
m, m, m – коэффициенты деления частоты;
τ – время задержки линии задержки;
ω – круговая частота.
Детектор 36.N+M, имеет в рабочем диапазоне частот однозначную (кривая 1), но относительно пологую передаточную функцию, по этой причине детектор 36.N+M служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В тоже время фазовые детекторы 36.1…36.N+M-1 имеют неоднозначные передаточные функции (кривые 2 и 3 соответственно), крутизна которых выше по сравнению  с крутизной передаточной функции детектора 36.N+M. Детекоры 36.1…36.N+M-1 служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 37 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых детекторов 36.1…36.N+M.
Из описанных принципов работы следует, что предварительное преобразование частоты входного сигнала (умножение и/или деление) позволяет использовать частотное уплотнение для сокращения числа линий задержки до одной.
Из описанных принципов работы понятно, что число каналов, включающих в себя делитель или умножитель частоты, линию задержки, фазовый детектор, может быть изменено для достижения заданного рабочего диапазона частот и точности измерения частоты.
Список использованных источников
1. Schmidt, R.O. Simultaneous signals IFM receiver using plural delay line correlators. Патент США на изобретение №5440228
2. Аткишкин С.Ф., Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов на линиях задержки с предварительным преобразованием частоты (варианты). Патент РФ на изобретение № RU 2710896 C1