ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ВИДЕОКОНВЕРТОР ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике, точнее к области приема шумовых сигналов в диапазонах ОВЧ и СВЧ и может быть использована для преобразования частот в радиоинтерферометрических терминалах приема и регистрации шумовых сигналов космических источников радиоизлучения. Такие видеоконверторы без искажений переносят спектры шумовых сигналов из рабочих диапазонов радиочастот или промежуточных частот приемников в полосу видеочастот. Боковые полосы частот (верхняя и нижняя), зеркально расположенные относительно частоты настройки гетеродина, разделяются в таких преобразователях фазовым способом.
max
min
Видеоконвертор для современного радиоинтерферометрического терминала должен иметь диапазон рабочих частот с коэффициентом перекрытия f/f не менее 10 и с разделением боковых полос (ослаблением зеркальной помехи) не менее чем на 25 дБ. Еще больше должны быть ослаблены комбинационные помехи, возникающие при преобразовании частот в видеоконверторе. Полоса частот входных сигналов современных видеоконверторов достигает 900÷1000 МГц и просматривается тенденция ее расширения. При этом ширина полосы видеочастот на выходах видеоконвертора достигает десятков МГц. Для повышения чувствительности радиотелескопов и точности получаемых результатов радиоинтерферометрических наблюдений применяют ряд видеоконверторов, смещенных один относительно другого по частоте так, чтобы перекрыть всю полосу частот входных сигналов. Чем шире полоса частот, тем выше чувствительность и точность.
Для работы в нешироких диапазонах частот применяют сравнительно простые видеоконверторы с одним квадратурным преобразованием частоты, которые содержат пару смесителей, соединенных с сигнальным входом и с гетеродином через делители мощности с жестко определенными параметрами (см. например обзор: А.Н.Абрамов, А.С.Астахов, В.П.Камишкинцев, Д.А.Усанов. «Смесители СВЧ с фазовым подавлением зеркального канала в гибридно-интегральном исполнении». Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ. Вып.5 (1447). М. ЦНИИ «Электроника». 1989, или статью: S.Padin, В.Arend, G.Narayanan. "A Wideband SSB Mixer Using High Frequency Operation Amplifiers". Microwave Journal, March 1992, p.131-133). Так построены видеоконверторы радиоинтерферометрических терминалов, которые используются при сравнительно нешироких полосах частот входных сигналов - до 500 МГц. Например, видеоконверторы широко используемого терминала VLBA 3 работают на частотах от 500
до 1000 МГц, то есть только с 2-х кратным перекрытием по частоте. Видеоконверторы другого распространенного терминала Mark III DAS хотя и работают с 5-кратным перекрытием по частоте (100÷500 МГц), но на частотах выше 500 МГц работать не могут.
Указанные ограничения связаны с тем, что для обеспечения требуемой развязки боковых полос (ослабления зеркальной помехи) необходимо во всей полосе частот входных сигналов выдерживать с очень высокой точностью относительные фазовые сдвиги, а также равенство амплитуд сигналов, подаваемых на входы пары смесителей и на суммо-разностное устройство. Для ослабления зеркальной помехи на 25 дБ необходимо выдерживать сдвиг фаз с точностью не хуже 6° при неравномерности деления мощности не более 1 дБ. Выполнение столь жестких требований (особенно по фазовым сдвигам) можно обеспечить лишь в относительно узком диапазоне частот. Несмотря на различные способы выполнения делителей мощности, смесителей и фазосдвигающих устройств, известные видеоконверторы с одним квадратурным преобразованием частоты не могут обеспечить широкий диапазон входных рабочих частот при высокой степени подавления зеркальной помехи на выходах. Отношение максимальной рабочей частоты к минимальной для видеоконверторов, работающих на частотах выше 500 МГц, не превышает 2.
Для обеспечения широкополосности во всех известных видеоконверторах используют двойное преобразование частот (см. например W.T.Petrachenko, M.Bujold, W.H.Cannon, B.R.Carison, P.E.Dewdney, G.H.Feil, P.Newby, A.Novikov, J.Popelar, R.D.Wietfeldt. "The S2 VLBI System: DAS, RT/PT and Correlator." International VLBI Service for Geodesy and Astrometry. 200 General Meeting Proceedings. February 21-24, 2000. Germany, p.378-382). Так построены видеоконверторы широкополосных радиоинтерферометрических терминалов Mark IV DAS и S2 DAS зарубежного производства. Применение двойного преобразования частот значительно усложняет схему и конструкцию, так как в таком случае необходимо применить два гетеродина и обеспечить подавление помех от гетеродинных сигналов, проникающих из одного преобразователя частот в другой. К фильтрам между преобразователями частот предъявляются очень жесткие требования по избирательности, что ограничивает возможности расширения полосы пропускания видеоконвертора. Кроме того, в фильтрах с высокой избирательностью трудно обеспечить высокую линейность фазо-частотной и равномерность амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания, что необходимо для неискаженного приема шумовых сигналов. Особенно возрастает этот недостаток в многоканальной аппаратуре, в которой параллельно включено большое
число видеоконверторов. Наиболее близким к полезной модели аналогом является видеоконвертор радиоинтерферометрического терминала, разработанного в Chalmers University of technology (cm. Emrich Anders. "Spectrometers and Receiver Systems for Ground, Ballon and Satellite Based (Sub)millimeter Radio Astronomy". School of electrical engineering. Technical report №225. Chalmers University of technology. 1992, p.98-100). Указанный видеоконвертор содержит синфазный делитель мощности входного сигнала, выходы которого соединены с двумя идентичными смесителями, а выходы смесителей через фильтры и вторые преобразователи частот подключены к входам суммо-разностного устройства, выходы которого являются выходами видеоконвертора соответственно для верхней и нижней боковых полос. Оба гетеродина соединены с соответствующими входами смесителей через квадратурные делители мощности, обеспечивающие фазовый сдвиг гетеродинных сигналов на 90°.
Недостатком такого видеоконвертора является наличие комбинационных помех от второго преобразования частот и, особенно, взаимных комбинационных помех первого и второго преобразования частот. Это предъявляет очень жесткие требования к фильтрам между смесителями и ограничивает полосу пропускания видеоконвертора (менее 16 МГц), так как при расширении полосы пропускания в нее попадает большее число комбинационных помех. В указанном видеоконверторе используются узкополосные квадратурные делители мощности, выполненные обычным способом на ферритовых трансформаторах. Это ограничивает диапазон входных частот видеоконвертора (перекрытие по частоте не более 2).
Целью предлагаемой полезной модели является уменьшение помех в широкой полосе рабочих частот и расширение полосы пропускания видеоконвертора. Для этого в видеоконвертор (фиг.1), содержащий входной синфазный делитель мощности (1), два смесителя (2, 3), квадратурный делитель мощности (4), соединенный с гетеродином, и выходное суммо-разностное устройство (5), введены две многокаскадные фазосдвигающие цепи (6, 7) из n фазовых звеньев каждая, а квадратурный делитель мощности гетеродинного сигнала выполнен в виде удвоителя частоты (8) с двумя противофазными выходами, которые через делители частоты на два (9, 10) соединены с гетеродинными входами упомянутых смесителей (2, 3). Отказ от второго преобразования частот за счет введения многокаскадных фазосдвигающих цепей и выполнения квадратурного делителя мощности указанным способом позволяет не только избавиться от комбинационных помех, связанных с двойным преобразование частот, но и снимает ограничения по полосе пропускания видеоконвертора.
Многокаскадные фазосдвигающие цепи на операционных усилителях, теория и методы проектирования которых известны (см. например С.А.Букашкин, В.П.Власов, Б.Р.Змий и др. Справочник по расчету и проектированию ARC-схем. М. Радио и связь. 1984.), позволяют обеспечить фазовый сдвиг 90° между видеосигналами на выходах смесителей с высокой точностью, которая зависит от числа каскадов (звеньев) n и требуемой полосы пропускания видеоконвертора. Например, при n=5 в полосе до 32 МГц эта точность не хуже 3°, что позволяет при абсолютной точности фазового сдвига в квадратурном делителе мощности получить ослабление зеркальной помехи более чем на 35 дБ. Чтобы расширить полосу пропускания еще больше (например, до 64 МГц) достаточно лишь увеличить число каскадов n до 7.
Чтобы обеспечить необходимое ослабление зеркальных помех, кроме точности указанного фазового сдвига на видеочастотах, большое значение имеет точность фазового сдвига 90° между сигналами на гетеродинных входах смесителей. Для ее обеспечения в широком диапазоне рабочих частот использовано удвоение частоты гетеродина, инверсия фазы сигнала с удвоенной частотой, а затем деление частоты на два (фиг.2). Получаемый при этом фазовый сдвиг 90° между сигналами на гетеродинных входах смесителей сохраняется с высокой точностью (не хуже 1,5°) во всем диапазоне частот, в котором сохраняется работоспособность удвоителя частоты, инвертора фазы и делителей частоты на два. При этом суммарная погрешность фазовых сдвигов в квадратурном делителе мощности и в многокаскадных фазосдвигающих цепях не превышает 4,5°, что существенно меньше допустимой величины (6°). Современный уровень техники интегральных схем, в том числе диапазонов ОВЧ и СВЧ, позволяет реализовать удвоитель частоты, инвертор фазы и делители частоты на два в диапазоне рабочих частот с коэффициентом перекрытия 10 и более, что расширяет диапазон рабочих частот видеоконвертора до указанных пределов.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого широкополосного видеоконвертора шумовых сигналов. На схеме обозначены:
1 - синфазный делитель мощности,
2, 3 - смесители,
4 - квадратурный делитель мощности,
5 - суммо-разностное устройство,
6, 7 - многокаскадные фазосдвигающие цепи,
8 - удвоитель частоты с двумя противофазными выходами,
9, 10 - делители частоты на два.
На фиг.2 показаны временные диаграммы сигналов в основных точках схемы квадратурного делителя мощности, поясняющие, как осуществляется поворот фазы гетеродинного сигнала на 90°, прежде чем он поступает на смесители. Здесь u - напряжение сигнала, t - время.
На фиг.3 приведены результаты измерения ослабления помех на выходах верхней боковой полосы (ВБП) и нижней боковой полосы (НБП) видеоконвертора для двух экспериментальных образцов устройства.
г
в
в
с
г
в
г
c
c
Мощность входного сигнала видеоконвертора делится поровну и синфазно между сигнальными входами смесителей (2, 3). В результате сдвига фазы гетеродинного сигнала на 90° на радиочастоте f (с помощью квадратурного делителя мощности) и сдвига фаз сигналов разностной частоты f в фазосдвигающих цепях после смесителей на 90° в одном плече относительно другого, сигналы верхней боковой полосы, преобразуемые по правилу f=f-f оказываются синфазными и складываются на выходе сумматора, а сигналы нижней боковой полосы, преобразуемые по правилу f=f-f, оказываются противофазными и взаимно компенсируются. Здесь f - частота входного сигнала видеоконвертора. Аналогично происходит выделение сигнала нижней боковой полосы на выходе вычитателя. Для получения достаточного ослабления зеркальной помехи необходимо выдерживать фазовые сдвиги и деление мощности пополам с высокой точностью.
Схема предлагаемого видеоконвертора реализуется на обычных радиоэлементах и интегральных микросхемах. Удвоитель частоты с противофазными выходами может быть реализован, например, в виде аналогового перемножителя сигнала самого на себя на дифференциальных каскадах в микросхемном исполнении. Возможен и другой вариант выполнения: в виде полупроводникового удвоителя частоты, синфазного резистивного делителя мощности и инвертора на одном из его выходов. Синфазный делитель мощности обычно выполняется на резисторах. Балансные смесители могут быть построены на полупроводниковые диодах или на интегральных микросхемах. Цифровые делители частоты на два реализуются обычными методами на цифровых интегральных микросхемах. При этом все указанные элементы могут быть выполнены в виде одной интегральной схемы. Многокаскадные фазосдвигающие цепи реализуются в виде последовательного соединения однотипных фазовых звеньев на широкополосных операционных усилителях. Современные интегральные операционные усилители имеют полосу рабочих частот 100 МГц и более и, таким образом, практически не ограничивают полосу пропускания видеоконвертора.
Авторами была разработана принципиальная схема и конструкция видеоконвертора, изготовлены два экспериментальных образца. Они успешно прошли испытания в составе систем преобразования шумовых сигналов на радиотелескопах РТФ-32 в обсерваториях Светлое (Ленинградская обл.) и Зеленчукская (Карачаево-Черкессия). В диапазоне рабочих частот 100÷1000 МГц и в полосе пропускания до 32 МГц ослабление зеркальной помехи было не менее 26 дБ, а комбинационные помехи отсутствовали в динамическом диапазоне 40 дБ. Проведенные исследования образцов видеоконвертора показали, что он может обеспечивать и более широкую полосу пропускания (по крайней мере, до 64 МГц). Это существенно превосходит лучшие зарубежные аналоги, у которых в диапазоне рабочих частот 100÷1000 МГц полоса пропускания не превышает 16 МГц.