Измеритель частоты СВЧ сигналов на линиях задержки с отрицательным временем групповой задержки
FREQUENCY METER OF MICROWAVE SIGNALS ON DELAY LINES WITH NEGATIVE TIME OF GROUP DELAY

Известно устройство измерителя частоты СВЧ сигналов [1]. Измеритель 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. 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 измерителя частоты СВЧ сигналов [2]. Измеритель 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. Еще одним недостатком  указанного устройства является невысокая чувствительность устройства, ограничиваемая погонными потерями в длинных линиях задержки.
Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы, снижение погрешности измерения частоты.
Целью изобретения является снижение громоздкости устройства и снижение погрешности измерения частоты за счет применения линий задержки с отрицательным временем групповой задержки.
Заявленный результат достигается тем, что в устройство, состоящее из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, синфазного делителя СВЧ мощности, N линий задержки, N фазовых корреляторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены N линий задержки с отрицательным временем групповой задержки, при этом входы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к выходам синфазного делителя СВЧ мощности, а выходы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к входам соответствующих фазовых корреляторов.
Сущность изобретения поясняется чертежом на фигуре 1. На фиг.1 представлена структурная схема измерителя частоты СВЧ сигналов с линиями задержки с отрицательным временем групповой задержки. Измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной усилитель-ограничитель 1, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 2, делитель 3 СВЧ мощности,  линии задержки 4.1…4.N, линии задержки 5.1…5.N с отрицательным временем групповой задержки,  фазовые корреляторы 6.1…6.N, вычислительное устройство 7.
На фиг.2 представлена дискриминационная характеристика фазовых корреляторов.
0
1P
1P
NP
1M
2M
NM
1
0
1P
2
0
2P
n
0
NP
1
0
1M
2
0
2M
n
0
NM
1
2
n
Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный  измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал с частотой ω поступает через усилитель-ограничитель 1 на полосно-пропускающий фильтр 2, ограничивающий входную полосу частот. Далее сигнал поступает на синфазный делитель 3 СВЧ мощности, где происходит деление мощности входного сигнала на N равных частей. Число линий задержки 4.1…4.N, линий задержки 5.1…5.N N с отрицательным временем групповой задержки, фазовых корреляторов 6.1…6.N определяется  рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что линии задержки 4.1,4.2,…,4.N имеют время задержки равное τ, τ,.. τ. Предположим также, что линии задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки имеют время задержки равное -τ, -τ,..- τ. Фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходах линий задержки 4.1,4.2,…,4.N составят: θ=ωτ, θ=ωτ,…, θ=ωτ. В то же время, фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходах линий задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки составят: ϕ=−ωτ, ϕ=−ωτ,…, ϕ=−ωτ. Сигналы с выхода линий задержки 4.1,4.2...4.N и линий задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки поступают на входы фазовых корреляторов 6.1,6.2,…,6.N. Фазовые корреляторы 6.1,6.2,…,6.N формируют следующие дискриминационные характеристики, вид которых показан на фигуре 2 (DFM – 1, DFM – 2,…, DFM – 3):
<mrow><mi>D</mi><mi>F</mi><msub><mi>M</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>P</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>1</mn><mi>M</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
(1)
<mrow><mi>D</mi><mi>F</mi><msub><mi>M</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>P</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>2</mn><mi>M</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
(2)
<mrow><mi>D</mi><mi>F</mi><msub><mi>M</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>A</mi><mn>3</mn></msub><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>cos</mi><mi>ω</mi><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>3</mn><mi>P</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mn>3</mn><mi>M</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
(3)
1
2
n
где A, A,…, A – коэффициенты пропорциональности;
1P
2P
NP
τ, τ,...τ – время задержки линий задержки 4.1,4.2...4.N;
1M
2M
NM
τ, τ,...τ – время задержки линий задержки 5.1,5.2...5.N с отрицательным временем групповой задержки;
ω – круговая частота.
Коррелятор 6.1 имеет в рабочем диапазоне частот (2-3 ГГц, фиг. 2) однозначную, но относительно пологую корреляционную характеристику, по этой причине коррелятор 6.1 служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В то же время фазовые корреляторы 6.2,…,6.N имеют неоднозначные корреляционные функции, крутизна которых выше по сравнению  с крутизной корреляционной характеристики коррелятора 6.1. Корреляторы 6.2,6.3,…6.N служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 7 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых корреляторов 6.1,6.2,…,6.N.
Из выражений 1 – 3 видно, что введение линий задержки с отрицательным временем групповой задержки перед фазовыми корреляторами увеличивает аргумент функции cos, что равносильно увеличению длин (времени задержки) линий задержки 4.1,4.2,…,4.N. Таким образом, длина линий 4.1,4.2,…,4.N задержки и габаритные размеры устройства, могут быть уменьшены.  Линии задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки могут быть реализованы на пассивных [3] и активных элементах [4,5].
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. Chaudhary, G. A design of compact wideband negative group delay network using cross coupling/ G. Chaudhary, Y. Jeong // Microwave and optical technology letters. – 2014. - №11. – VOL56. – pp. 2495 – 2497.
4. Wu, C.-T.M. A Dual-Purpose Reconfigurable Negative Group Delay Circuit Based on Distributed Amplifiers/ C.-T. M. Wu, S. Gharavi, B. Daneshrad, T. Itoh // IEEE Microwave and wireless components letters. – 2013. – pp. 1 – 3.
5. Ravelo, B. Investigation on Microwave Negative Group Delay Circuit/B. Ravelo// Electromagnetics. – 2011. - №31. – pp. 537 – 549.