МНОГОФАЗНЫЙ СВЧ-МАНИПУЛЯТОР

Созданное устройство относится к области СВЧ техники, конкретно к устройствам модуляции фазы, которые могут быть использованы в бортовых радиолокационных и навигационных системах.
Повышение разрешающей способности по определению местоположения объекта в указанных системах осуществляется различными способами, некоторые из которых основаны на обогащении спектра излучаемых сигналов, которые несут большую информацию об объекте. Для этого может применяться дискретная многоуровневая модуляция по фазе [1], которая иначе может быть названа многофазной. Одним из вариантов является и фазовая манипуляция, которая предполагает введение определенной разности фаз для несущей частоты между соседними радиоимпульсами.
Известно устройство для фазовой манипуляции сигнала, в котором в качестве управляющих элементов используются варикапы (варакторы) и формирование соответствующей информации для манипуляции происходит на промежуточной частоте и на низком уровне мощности (около 150 мВт) [2]. Процесс преобразования и усиления сигнала приводят к искажению спектра и, как следствие, к дополнительному искажению фазоманипулированного сигнала, что ухудшает показатели электромагнитной совместимости СВЧ передающих устройств и является недостатком устройства.
Известен способ фазовой модуляции использующий отражение сигнала в линии передачи от неоднородности, положением которой можно управлять [3]. Недостатком этого устройства является невозможность непосредственной реализации многофазной модуляции, работы на высоком уровне мощности и на нескольких частотах.
Известен быстродействующий коммутатор фазы на лампе с бегущей волной (ЛБВ) [4], которая для названной функции представляется в виде четырехполюсника, входом и выходом которого являются высокочастотные вход и выход ЛБВ соответственно, а управляющим сигналом служит напряжение, подаваемое на спираль ЛБВ. Быстродействие обеспечивается электронными процессами в ЛБВ. Недостатком коммутатора является невозможность его применения для реализации многофазной манипуляции.
Наиболее близким к предложенному устройству служит устройство [5], взятое за прототип (см. фиг.1). Оно содержит источник высокочастотного сигнала, неуправляемую часть схемы и управляемую часть, подключенную параллельно к источнику низкочастотного управляющего сигнала. Управляемая часть выполнена в виде трехполюсного элемента, а неуправляемая - из симметричного П-образного соединения трех реактивных двухполюсников, что позволяет в результате осуществлять трехуровневую фазовую манипуляцию одновременно с амплитудной.
Недостатком прототипа является невозможность осуществления фазовой манипуляции при скважности последовательности радиоимпульсов, меньшей двух. Последнее обусловлено инерционностью реактивных элементов двухполюсников. Кроме этого, количество импульсов в отдельной группе не может превышать трех, что определяет максимальное количество уровней манипуляции.
Техническим результатом созданного устройства является получение многофазной манипуляции на высоком уровне мощности рабочей частоты.
Заявленный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее источник высокочастотного сигнала, управляемый трехполюсный элемент, один из выводов которого подключен к источнику низкочастотного управляющего сигнала, нагрузку, введены лампа с бегущей волной (ЛБВ), подключенная к высокостабильному источнику напряжения, импульсный подмодулятор, управляющее устройство, фазовый детектор, управляемый фазовращатель, стартовый формирователь импульсов, причем высокочастотный вход ЛБВ через развязывающее устройство и первый канал делителя мощности соединен с управляемым трехполюсным элементом, первый вход которого подключен к источнику высокочастотного сигнала, а второй вход - к источнику низкочастотного управляющего сигнала, который соединен со стартовым формирователем импульсов, подмодулятор соединен с управляющим устройством, имеющим N выходов, вход подмодулятора подключен к стартовому формирователю импульсов, первый анод ЛБВ соединен с управляющим электродом через вторичную обмотку трансформатора, высокочастотный выход ЛБВ через первый канал направленного ответвителя подключен к нагрузке, второй канал которого соединен с первым входом фазового детектора, а второй вход фазового детектора соединен с выходом управляемого фазовращателя, включающего N последовательно соединенных p-i-n диодов, подключенных к выходам управляющего устройства, параллельно p-i-n диодам подключены короткозамкнутые шлейфы, вход фазовращателя соединен со вторым каналом делителя мощности, а выход фазового детектора через видеоусилитель - с первичной обмоткой трансформатора.
Фиг.1 Схема прототипа.
Фиг.2 Схема многофазного манипулятора.
Фиг.3 Эпюры напряжений при многофазной манипуляции (огибающих радиоимпульсов на выходе ЛБВ и импульсов на выходе фазового детектора).
Принцип действия предложенного устройства состоит в следующем. На управляемый трехполюсный элемент 2 подаются два сигнала - высокостабильный высокочастотный сигнал от источника 1 и группа усиленных прямоугольных видеоимпульсов с выхода источника низкочастотного сигнала 3 (см. фиг.2). На вход источника низкочастотного сигнала группа прямоугольных импульсов поступает с одного из выходов стартового формирователя импульсов 11. Управляемый трехполюсный элемент 2 формирует из приходящих сигналов группу радиоимпульсов, поступающих через делитель мощности 13 и развязывающее устройство 12 на высокочастотный вход ЛБВ 5.
Подмодулятор 7 запускается от другого выхода стартового формирователя импульсов 11, который на этом выходе формирует такую же группу видеоимпульсов, поступающих на управляющее устройство 8.
Первый радиоимпульс группы поступает с высокочастотного выхода ЛБВ 5 через второй канал направленного ответвителя 15 на первый вход фазового детектора 9. На второй вход фазового детектора поступает радиоимпульс со второго выхода делителя мощности 13 через управляемый фазовращатель 10. Фазовый детектор 9 вырабатывает сигнал, зависящий от разности фаз сигналов на его входах. Последняя определяется состоянием p-i-n диодов 16, которое может регулироваться через развязывающие дроссели 19 управляющим устройством 8 по заданной программе.
Цепи подачи управляющего видеосигнала на p-i-n диоды, необходимые разделительные конденсаторы и элементы развязки СВЧ цепей и цепей управления показаны на фиг.2 условно, так как данные цепи являются стандартными.
Сигнал с выхода фазового детектора через видеоусилитель 18 и первичную обмотку трансформатора 14 поступает на вторичную обмотку трансформатора 14 в виде импульсов напряжения между управляющим электродом 20 и первым анодом 21 ЛБВ 5. Эта группа импульсов определяет напряжение на спирали, зависящую от этого напряжения скорость электронов и фазу высокочастотного сигнала ЛБВ 5 во время каждого радиоимпульса, что и позволяет осуществить многофазную манипуляцию. Радиосигнал с высокочастотного выхода ЛБВ 5 поступает через первый канал направленного ответвителя 15 в нагрузку 4.
Приращение фазового угла Δφ в ЛБВ, обусловленное вариацией напряжения на ΔU в замедляющей системе (З.С.) определяется выражением [6]:
где  - длина замедляющей системы в длинах волн;
- постоянная распространения электронов;
L - геометрическая длина З.С.
e
V - скорость электронов, ω=2πf, f - частота СВЧ сигнала.
Следовательно:
Например, при U=12 кВ и длине замедляющей системы L=0,15 м, на рабочей частоте
, при ΔU=0,5 кВ имеем Δφ≈2 рад. Выходная мощность усиленного ЛБВ радиосигнала не менее 10 кВт. Процесс многофазной манипуляции иллюстрируется на эпюрах фиг.3, где приведены эпюры огибающих радиоимпульсов на выходе ЛБВ и импульсов на выходе фазового детектора. Начальная фаза высокочастотного сигнала определяется высокостабильным источником высокочастотного сигнала 1.
Для оценки искажений, возникающих при модуляции фазы, рассмотрим процесс передачи трапецеидального импульса через четырехполюсник в виде ЛБВ, например, в работе [7] рассмотрены искажения при угловой модуляции.
При воздействии трапецеидального сигнала скорость влета электронов в спираль ЛБВ будет изменяться по следующему закону:
0
1
V=V[1+f(t)],
0
1
1
где V - средняя скорость влета электронов, f(t) - переменная составляющая скорости электронов, t - время влета отдельных электронов.
В этом случае время, в которое электрон достиг точки Z:
где Z - координата вдоль оси спиральной З.С.
Отдельно рассмотрим передачу через ЛБВ, используемую в качестве фазового манипулятора, переднего и заднего фронтов трапецеидального импульса. Для переднего фронта имеем:
где: р - амплитуда импульсов, Т - период следования,
τ - длительность переднего фронта,  - длительность заднего фронта
Таким образом,
, откуда:
Подставляя выражение (3) в выражение (2), находим в точке Z закон изменения функции:
и крутизну
Аналогично для заднего фронта трапецеидального импульса имеем соответственно:
закон изменения функции
и крутизну
Переходя от изменений скорости электронов к изменению фазы, воспользуемся соотношением, приведенном в [4]:
где. S - конструктивный параметр.
Отсюда
Следовательно, крутизны переднего и заднего фронтов можно определить следующим образом:
Здесь знак «минус» относится к положительному перепаду, а знак «плюс» - к отрицательному.
Определим длительности фронтов в точке Z:
Отсюда
Максимальное практическое значение величины Δφ=π, при этом:
Таким образом, изменение длительности фронтов при прохождении импульсов в группе через фазовый манипулятор не превышает периода высокочастотных колебаний в ЛБВ (S меньше 1,72). Следовательно, при длительности фронтов порядка десятка наносекунд нелинейностью фазового четырехполюсника при оценке переходных процессов можно пренебречь.
Приведенные математические выражения подтверждают физическую реализуемость устройства. Предлагаемое техническое устройство является новым, поскольку неизвестны устройства на высоком уровне мощности (не менее 10 кВт), позволяющие получать многофазную СВЧ манипуляцию в широком диапазоне частот, обусловленных широкополосностью ЛБВ.
Предлагаемое техническое решение удовлетворяет всем требованиям охраноспособности, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений не следует заявленная последовательность операций:
1) получение многофазной манипуляции на высоком уровне мощности с помощью ЛБВ в широком диапазоне частот с перестройкой фазы от импульса к импульсу при скважности последовательности радиоимпульсов в группе, меньшей двух.
2) заявленное устройство реализует возможность управления фазами несущей частоты последовательности радиоимпульсов по заданной программе.
Предлагаемое устройство планируется использовать в бортовой радиолокационной аппаратуре и для его реализации будут применены серийно выпускаемые промышленностью ЛБВ «Шпиль-МА», p-i-n диоды 2А520А, в трехполюсном элементе - транзисторы 2Т919 В.
Технико-экономическая эффективность устройства заключается в возможности реализации в бортовых радиолокационных системах на высоком уровне мощности на рабочих частотах многофазной манипуляции, что позволяет улучшить показатели электромагнитной совместимости, по сравнению с системами, где применяется преобразование частоты.
Литература.
1. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. М.: «Сов. радио», 1971, стр.274-276.
2. Балакирев М.В. Радиопередающие устройства. М.: «Радио и связь», 1982, стр.127-129.
3. АС СССР №1800579, кл. Н03С 5/00, 09.10.1992.
4. Райнер М.М., Солодарь Г.Г., Унуков Л.В. Быстродействующий коммутатор фазы на ЛБВ. - Электронная техника, серия 1 «Электроника СВЧ», №4, 1966, стр.110-128.
5. Патент РФ 2341868, кл. Н03С 5/00, 2006.06.27.
6. Бычков С.И., Буренин Н.И., Сафаров Р.Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. М.: «Сов. радио», 1962, стр.66.
7. Ворона В.А. Радиопередающие устройства. Основы теории и расчета. М.: «Горячая линия-Телеком», 2007, стр.182-183.