РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО СВЧ
MICROWAVE RADIO RECEIVER

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных СВЧ радиоприемных устройствах, входящих в состав аппаратуры радиопротиводействия и радионаблюдения.
Известно радиоприемное устройство, которое содержит входной фильтр, смеситель с гетеродином, фильтр промежуточной частоты, усилитель промежуточной частоты и выходные устройства обработки радиосигналов [1]. Принятый радиосигнал через входной фильтр и входной усилитель поступает на сигнальный вход смесителя, преобразуется по частоте и через фильтр промежуточной частоты и усилитель промежуточной частоты поступает на вход устройства обработки радиосигналов. Диапазон частот входных сигналов ограничивается входным фильтром, который предназначен также для подавления «зеркального» канала приема. Для расширения диапазона частот входных сигналов и увеличения быстродействия применяют многоканальные приемники [2, 3], каждый канал которых содержит входной фильтр, смеситель с гетеродином, фильтр и усилитель промежуточных частот. Суммарная полоса рабочих частот входных фильтров радиоприемного устройства обычно перекрывает требуемый рабочий диапазон частот входных сигналов.
Общими признаками аналог изобретения являются смесители с гетеродинами, фильтры промежуточной частоты и выходные устройства обработки радиосигналов.
Недостатками аналогов являются узкая полоса входных частот каждого канала, ограничиваемая полосой пропускания входного фильтра, сложная конструкция, а также сложности настройки многоканальной системы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является приемное устройство, описанное в патенте РФ [4], которое выбрано в качестве прототипа. Структурная схема прототипа показана на фиг. 1. Устройство содержит входной делитель мощности 1, два смесителя первой ступени преобразования частот 2 и 3, два гетеродина 4 и 5, устройство формирования гетеродинных сигналов второй ступени преобразования частот 6, делитель мощности 7, фильтры промежуточных частот первой ступени преобразования 8 и 9, два смесителя второй ступени преобразования частот 10 и 11, фильтры промежуточной частоты второй ступени преобразования 12 и 13, делитель мощности на два 14, устройство идентификации частот 15, включающее в себя амплитудные и фазовый детекторы, и выключатель 16.
с
гн
гн
с
гв
гв
с
с
гн
гв
с
с
гн
гв
с
с
гн
гв
Устройство (прототип) содержит два приемных канала - основной и дополнительный, отличающиеся настройкой гетеродина. Оба канала принимают один и тот же входной сигнал с частотой ω. Если основной приемный канал использует нижнюю настройку гетеродинов (частота гетеродина ω меньше частот входных сигналов ω<ω), то дополнительный канал использует гетеродин с верхней настройкой ω (частота гетеродина этого канала больше частот входных сигналов ω>ω). Возможен вариант, когда основной канал использует верхнюю настройку гетеродина, а дополнительный канал - нижнюю. Рабочие частоты гетеродинов и фильтров промежуточных частот каналов выбирают таким образом, чтобы рабочие полосы промежуточных частот основного и дополнительного каналов совпадали. При этом в полосе промежуточных частот каналов одновременно образуются полезные сигналы с частотами (ω-ω) и (ω-ω) и фазами (φ-φ) и (φ-φ). Здесь φ, φ и φ фазы входного и гетеродинных сигналов. Ширина диапазона промежуточных частот определяет значение ширины мгновенного диапазона частот входных сигналов, которые могут быть приняты устройством при данном значении частот гетеродинов. Ширина диапазона промежуточных частот не может превышать одной октавы, чем и ограничивает ширину мгновенного диапазона входных сигналов.
гв
гн
Второе преобразование частот использует в обоих каналах один и тот же гетеродинный сигнал, имеющий частоту (ω-ω)/2. Он формируется из гетеродинных сигналов, используемых при первом преобразовании частот.
Как показано в [4], амплитуды, фазы и частоты сигналов, образующихся после второго преобразования, несут информацию о признаках полезных сигналов. Используя эти признаки можно с достаточной степенью точности идентифицировать полезные сигналы на входе приемного устройства. Для этого диапазон промежуточных частот разбивают с помощью электрических фильтров на более узкие поддиапазоны и устанавливают на выходах этих фильтров выключатели. «Паразитные» сигналы на выходе приемного устройства будут подавлены, а число возможных одновременно принимаемых сигналов будет равно количеству поддиапазонов.
Если диапазоны первых промежуточных частот обоих каналов совпадают, то после двойного преобразования образуются сигналы с одинаковыми частотами, фазами и амплитудами, причем это справедливо только для полезных входных сигналов, частоты которых находятся в диапазоне входных частот приемного устройства [4]. Это пояснено с помощью графиков, приведенных на фиг. 2.
гв
гн
пч1
пч2
На фиг. 2 приведены графики зависимости первых промежуточных частот каналов от значений частот сигналов на входе приемного устройства первой ступени преобразования, осуществляемые смесителями 2 и 3. Границы диапазона входных частот и диапазона промежуточных частот обозначены с помощью мелких пунктирных линий. На графике также в виде крупной пунктирной линии параллельно оси абсцисс построен отрезок прямой, соответствующий частоте гетеродинного сигнала второй ступени преобразования частот. Значение этой частоты на оси ординат зафиксировано частотами гетеродинов ω и ω и всегда находится посередине диапазона промежуточных частот первой ступени преобразования на равных расстояниях от граничных частот ω и ω [4].
с
гн
гв
с
с
гн
гв
с
Предположим, что на вход приемного устройства поступает сигнал с несущей частотой, находящейся в полосе входных частот. Для нахождения промежуточных частот каналов восстановим из точки на оси входных частот, соответствующей этой частоте, перпендикуляр, который обозначен на фиг. 2 цифрой 1. Промежуточные частоты определяются точками пересечения этого перпендикуляра с прямыми (ω-ω) и (ω-ω). Промежуточная частота основного канала определяется с помощью отрезка прямой 2, а дополнительного канала - с помощью отрезка прямой 3. Из этих построений видно, что для входной частоты отрезки перпендикуляра 1 между прямыми (ω-ω), (ω-ω) и отрезка прямой, соответствующей частоте гетеродина второй ступени, будут всегда равны друг другу. Длины этих отрезков в выбранном масштабе будут численно равны промежуточным частотам после второго преобразования частот.
Недостатком приемного устройства - прототипа, структурная схема которого показана на фиг. 1, является малый динамический диапазон приемного устройства, возможность образования в рабочем диапазоне выходных частот устройства вместе с полезным СВЧ сигналом большого числа комбинационных составляющих низких порядков, образующихся на выходах смесителей второй ступени преобразования 10 и 11. Причем количество этих составляющих существенно зависит от разности частот полезных и гетеродинных сигналов, поступающих в смесители второй ступени преобразования. Это существенно усложняет идентификацию полезных сигналов и в ряде случаев делает ее невозможной.
с
гн
гв
с
Попадание частот комбинационных составляющих низких порядков в рабочую полосу частот является следствием того, что значение гетеродинной частоты равно среднему значению диапазона входных частот второй ступени преобразования, т.е. на оси частот расположено посередине диапазона входных частот. На фиг. 2 отрезок прямой, соответствующий гетеродинной частоте второй ступени преобразования, проходит через точку пересечения отрезков прямых (ω-ω) и (ω-ω). Если при изменении частоты входного сигнала ее значение слева или справа по оси частот стремится к этой точке, то значение второй промежуточной частоты, равное разнице значений входного сигнала и гетеродина, стремится к нулю. При этом относительная ширина полосы промежуточных частот увеличивается, стремясь к бесконечному октав. В результате этого в полосу выходных (промежуточных) частот попадает большое число комбинационных частот. Размножение выходных СВЧ сигналов в устройствах радионаблюдения будет приводить к неоднозначности получаемых результатов. В случае радиопротиводействия - к снижению эффективности работы аппаратуры, поскольку при ограниченной мощности выходного усилителя выходная мощность будет распределяться между большим числом составляющих выходного спектра, поэтому уровень мощности полезного выходного сигнала при этом будет намного меньше требуемого значения.
Часть комбинационных составляющих и гетеродинные сигналы можно подавить путем использования балансных или двойных балансных смесителей. При этом число комбинационных составляющих в выходном спектре частот уменьшится, но проблема решена не будет.
Общие признаки прототипа и изобретения являются входной делитель мощности 1, смесители первой ступени преобразования частот 2 и 3, гетеродины 4 и 5, фильтры первых промежуточных частот первой ступени преобразования частот 8 и 9, смесители второй ступени преобразования частот 10 и 11, фильтры промежуточных частот второй ступени преобразования 12 и 13, делитель мощности на два 14, блок идентификации частот 15 и выключатель 16.
Техническая задача изобретения - увеличение динамического диапазона приемного устройства.
Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона приемного устройства на величину, превышающую 80 дБ.
Поставленная задача в устройстве решается путем увеличения в два раза гетеродинной частоты второй ступени преобразования, а само двукратное преобразование частот применено только в одном канале второй ступени приемного устройства.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена электрическая схема преобразователя частоты - прототип.
На фиг. 2 приведены графики зависимости первых промежуточных частот каналов от значений частот входных сигналов приемного устройства (значение частоты гетеродина второй ступени преобразования совпадает со средним значением промежуточной частоты).
На фиг. 3 приведена структурная схема приемного устройства по изобретению.
На фиг. 1 и 3 введены обозначения: 1, 7, 14, 17 - первый, второй, третий, четвертый делители мощности на два, 2 и 3 - первый и второй смесители первой ступени преобразования частот, 10, 11 - третий, четвертый смесители второй ступени преобразования, 4 и 5 - первый и второй гетеродины первой ступени преобразования частот, 6 - устройство формирования гетеродинного сигнала второй ступени преобразования частот (фиг. 1), 8, 9, 12, 13, первый, второй, третий, четвертый - фильтры промежуточных частот, 15 - блок идентификации частот, 16 - выключатель.
Все делители мощности на два 1, 7, 14, 17 имеют один входной и два выходных канала. Первый делитель мощности 1 работает в диапазоне частот входных сигналов приемного устройства СВЧ, второй и четвертый делители мощности на два 7 и 17 работают в диапазоне рабочих частот гетеродинов 4 и 5, третий делитель мощности на два 14 работает в диапазоне промежуточных частот. Первый и второй смесители первой ступени преобразования частот 2 и 3 работают в диапазоне частот входных сигналов приемного устройства СВЧ и отличаются частотами гетеродинных сигналов. Гетеродины первой ступени преобразования частот 4 и 5 отличаются частотами генерируемых сигналов. Устройство формирования гетеродинного сигнала второй ступени преобразования частот 6 (фиг. 1) содержит амплитудные и фазовые детекторы, а также делитель частоты на два. Третий и четвертый смесители второй ступени преобразования 10 и 11 осуществляют преобразование промежуточных частот. Блок идентификации частот 15 содержит амплитудные и фазовые детекторы. Выключатель 16 имеет первый высокочастотный вход, а также второй вход управляющих сигналов.
Все перечисленные выше устройства, входящие в схему на фиг. 3 в настоящее время широко применяются в технике СВЧ. Для расчета и проектирования этих устройств могут быть использованы имеющиеся пакеты прикладных программ, например, пакет программ фирмы «Applied Wave Research)) «Microwave Office)). В блоке идентификации частот 15 могут быть использованы амплитудные и фазовые детекторы или, например, микросхемы типа «AD8302» фирмы «Analog Devices)).
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что приемное устройство СВЧ (фиг. 3) содержит первый входной делитель мощности на два канала 1, первый и второй смесители первой ступени преобразования частот 2 и 3, первый и второй фильтры промежуточной частоты первой ступени преобразования частот 8 и 9, первый и второй гетеродины 4 и 5, второй и четвертый делители мощности на два 7 и 17, а также третий и четвертый смесители второй ступени преобразования частот 10 и 11, третий и четвертый фильтры промежуточной частоты второй ступени преобразования частот 12 и 13, третий делитель мощности на два 14, блок идентификации частот 15 и выключатель 16.
Первый выход первого входного делителя мощности на два 1 соединен с сигнальным входом первого смесителя первой ступени преобразования частот 2, выход которого соединен с первым фильтром первой промежуточной частоты первой ступени преобразования частот 8. Второй выход первого входного делителя мощности на два 1 соединен с входом второго смесителя первой ступени преобразования частот 3, выход которого соединен со вторым фильтром первой промежуточной частоты первой ступени преобразования частот 9, выход которого соединен с сигнальным входом четвертого смесителя второй ступени преобразования частот 11, выход которого соединен с входом четвертого фильтра промежуточных частот второй ступени преобразования 13. Первый выход третьего делителя мощности на два 14 соединен с первым входом блока идентификации частот 15, а второй выход с первым входом выключателя 16. Выход блока идентификации частоты 15 соединен со вторым входом выключателя 16. Выход первого гетеродина 4 соединен с входом второго делителя мощности на два 7, первый и второй выходы которого соединены соответственно с гетеродинными входами первого смесителя первой ступени преобразования частот 2 и с гетеродинным входом четвертого смесителя второй ступени преобразования частот 11. Выход второго гетеродина 5 соединен с входом четвертого делителя мощности на два 17, выходы которого соединены соответственно с гетеродинным входом второго смесителя первой ступени преобразования частот 3 и с гетеродинным входом третьего смесителя второй ступени преобразования частот 10. Выход первого фильтра первых промежуточных частот первой ступени преобразования частот 8 соединен с входом третьего делителя мощности на два 14. Выход четвертого фильтра промежуточных частот второй ступени преобразования 13 соединен с сигнальным входом третьего смесителя второй ступени преобразования частот 10, выход которого соединен с входом третьего фильтры промежуточных частот второй ступени преобразования 12, выход которого соединен со вторым входом блока идентификации частот 15.
гн
с
гв
с
с
гн
гв
с
гн
с
гн
гв
с
гв
с
с
гн
гв
Устройство (фиг. 3) работает следующим образом. Входной сигнал делится первым входным делителем мощности 1, после чего поступает на сигнальные входы смесителей 2 и 3 первой ступени преобразования. Предположим, что смеситель 2 работает в режиме с нижней настройкой гетеродина (ω<ω), а смеситель 3 - в режиме с верхней настройкой (ω>ω). Здесь ω - частота входного сигнала, ω - частота гетеродина 4, ω - частота гетеродина 5. После преобразования частот входных сигналов на выходе фильтра промежуточной частоты 8 образуется сигнал с частотой (ω-ω) и фазой (φ-φ), а на выходе фильтра промежуточной частоты 9 с частотой (ω-ω) и фазой (φ-φ). Здесь φ, φ и φ - фазы входного и гетеродинных сигналов. Поскольку диапазоны промежуточных частот смесителей 2 и 3, сформированные фильтрами 8 и 9, выбраны одинаковыми, оба этих сигнала находятся одновременно в диапазоне промежуточных частот этих смесителей.
гв
гн
гв
гн
Идея предлагаемого решения заключается в следующем. Если в схеме на фиг. 1 формировать с помощью устройства 6 гетеродинный сигнал с частотой (ω-φ) и фазой (φ-φ) и подавать его только на один из смесителей второй ступени преобразования, например на гетеродинный вход смесителя 11, а смеситель 10 и фильтр 12 исключить из схемы, то на выходе фильтра 13 будет образован сигнал с частотой
и фазой
Таким образом, в обоих каналах будут сформированы одинаковые сигналы с равными частотами и фазами, которые будут одновременно подводится к блоку идентификации частот 15, в котором формируется сигнал, открывающий выключатель 16 для передачи полезного сигнала для дальнейшей обработки.
При очевидной простоте реализации этот метод обладает существенным недостатком. Приемные устройства рассматриваемого типа предназначены для работы в широком диапазоне рабочих частот входных сигналов, превышающих в ряде случаев несколько октав. Однако мгновенная полоса частот принимаемых сигналов не может быть шире диапазона промежуточных частот приемного устройства, ширина которого на промежуточных частотах ограничена одной октавой. При этом необходимо учитывать, что при уменьшении значений несущих частот преобразуемых сигналов, т.е. при преобразовании вниз по оси частот, относительная ширина преобразуемых диапазонов частот остается постоянной, а относительная ширина увеличивается. Это является основным ограничением ширины мгновенной полосы частот принимаемых сигналов. Для уменьшения времени просмотра диапазона частот входных сигналов обычно стремятся увеличивать ширину мгновенного диапазона частот. Однако увеличение относительной ширины диапазона промежуточных частот резко увеличивает число частот комбинационных составляющих низких порядков в выходном спектре частот приемного устройства. Поэтому во второй ступени преобразования частот целесообразно использовать двойное преобразование по известной схеме, описанной, например, в [5].
гв
с
гв
с
гн
гн
гн
гв
с
гн
гв
с
гв
гв
В предполагаемом изобретении (фиг. 3) сигнал первой промежуточной частоты с частотой (ω-ω) и фазой (φ-φ) с выхода смесителя 3 через фильтр 9 поступает на сигнальный вход смесителя 11, на гетеродинный вход которого через делитель мощности 7 поступает гетеродинный сигнал с частотой ω и фазой φ. После преобразования в смесителе 11 на выходе фильтра 13 выделяется сигнал с частотой ω+(ω-ω) и фазой φ+(φ-φ), который поступает на сигнальный вход смесителя 10, на гетеродинный вход которого через делитель мощности 17 поступает гетеродинный сигнал с частотой ω и фазой φ. После преобразования сигнала в смесителе 10 на выходе фильтра 12 выделяется сигнал с частотой
и фазой
с
гн
с
гн
Таким образом, в результате преобразований частот сигналов получаем в обеих ветвях схемы на фиг. 3, на выходах фильтров 8 и 12 сигналы с одинаковыми частотами (ω-ω) и фазами (φ-φ). Сигнал с выхода фильтра 8 через делитель мощности 14 подводится к первому входу блока идентификации частот 15 и к выключателю 16, а сигнал с выхода фильтра 12 подводится ко второму входу блока идентификации частот 15. Блок идентификации частот 15 устанавливает наличие сигналов в обеих ветвях устройства и в случае равенства частот или фаз этих сигналов открывает выключатель 16, с выхода которого сигнал из одного плеча устройства передается для дальнейшей обработки.
Очевидно, что ничего принципиально не изменится, если использовать в смесителе 2 верхнюю настройку гетеродина, а в смесителе 3 - нижнюю. В этом случае на выходах обеих ветвей схемы будут получены одинаковые сигналы с инвертированным по сравнению с предыдущим вариантом спектрами, что никак не повлияет на процесс идентификации полезных сигналов.
гн
гв
с
гн
с
гн
Проиллюстрируем работу схемы, приведенной на фиг. 3, примером. Предположим, что диапазон частот входных сигналов 10,0…11,0 ГГц, частота гетеродина 4 - ω=9,0 ГГц, а гетеродина 5 - ω=12,0 ГГц. Тогда после преобразования частоты сигнала смесителем 2 при последовательном изменении частоты входного сигнала от 10,0 ГГц до 11,0 ГГц промежуточная частота на выходе фильтра 8 будет изменяться от 1,0 ГГц до 2 ГГц, а после преобразования смесителем 3 на выходе фильтра 9 из-за инверсии спектра будет изменяться от 2 ГГ до 1 ГГц. Далее после преобразования смесителем 11 на выходе фильтра 13 частота сигнала будет изменяться от 11,0 ГГц до 10,0 ГГц и после преобразования в смесителе 10 на выходе фильтра 12 - от 1,0 ГГц до 2,0 ГГц. Нетрудно видеть, что таким же образом при преобразовании частот будут изменяться и фазы сигналов. Таким образом, при любых изменениях частот входных сигналов в диапазоне входных рабочих частот устройства на первый и второй входы блока идентификации частот 15 всегда будут поступать сигналы с одинаковыми частотами и фазами (ω-ω) и (φ-φ).
Очевидно, что в качестве гетеродинных сигналов смесителей 10 и 11 могут быть использованы сигналы любых двух других генераторов, значения частот которых могут отличаться от частот гетеродинов 4 и 5. При этом значения частот этих генераторов должны отличаться друг от друга на величину, равную разнице значений частот гетеродинов 4 и 5.
Отличительные признаки изобретения
Введен четвертый делители мощности на два 17, причем выход первого гетеродина 4 соединен с входом второго делителя мощности на два 7, первый и второй выходы которого соединены соответственно с гетеродинными входами первого смесителя первой ступени преобразования частот 2 и с гетеродинным входом четвертого смесителя второй ступени преобразования частот 11, кроме того, выход второго гетеродина 5 соединен с входом четвертого делителя мощности на два 17, выходы которого соединены соответственно с гетеродинными входами второго смесителя первой ступени преобразования частот 3 и с гетеродинным входом третьего смесителя второй ступени преобразования частот 10, причем выход первого фильтра первых промежуточных частот первой ступени преобразования частот 8 соединен с входом третьего делителя мощности на два 14, при этом выход четвертого фильтра промежуточных частот второй ступени преобразования 13 соединен с сигнальным входом третьего смесителя второй ступени преобразования частот 10, выход которого соединен с входом третьего фильтры промежуточных частот второй ступени преобразования 12, выход которого соединен со вторым входом блока идентификации частот 15, выход которого соединен с вторым входом выключателя 16.
Литература
1. Н.И. Чистяков, М.В. Сидоров, В.С. Мельников. «Радиоприемные устройства», «Связьиздат», Москва, 1959 г., стр. 17.
2. З.М. Горбачевская. Приемные устройства быстрого распознавания СВЧ-сигналов для современных систем радиоэлектронной борьбы. «Обзоры по электронной технике», Сер. I, «Электроника СВЧ», вып. 3(869), 1982 г., стр. 12, 13.
3. В.И. Щербак, И.И. Водянин. Приемные устройства систем радиоэлектронной борьбы. «Зарубежная радиоэлектроника», №5, 1987 г., стр. 55-60.
4. Патент РФ №2329598 от 23 июня 2006 г., «Радиоприемное устройство и его варианты».
5. Патент РФ №2136110 от 23 апреля 1987 г., «Станция радиотехнической разведки».