СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕТЕРОДИННЫХ И ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING HETERODYNE AND INTERMEDIATE FREQUENCIES OF FREQUENCY CONVERTERS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ определения гетеродинных и промежуточных частот преобразователей частоты и устройство для его осуществления относятся к области радиотехники и могут быть использованы при проектировании широкополосных приемных устройств с преобразованием частот, в том числе с многократным преобразованием.
Определение оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот преобразователей частоты является важной задачей, возникающей при проектировании широкополосных приемных устройств, в состав которых входят преобразователи частоты. Эта задача напрямую связана с задачей определения значений частот комбинационных составляющих и гармоник в полосе рабочих частот выходных сигналов (промежуточных частот). Для решения этой задачи в настоящее время широко используются либо таблицы (Ю.И.Шарапов. Преобразование сигнала комбинационных частот в специальных приемниках. - М.: САИНС-ПРЕСС, 2009), либо номограммы комбинационных частот (Ю.Ф.Щербаков. Некоторые вопросы анализа комбинационных помех при преобразовании частоты Радиотехника, т.27, №12, 1972.) В последней работе сравниваются методы анализа комбинационных частот, и делается вывод об универсальности и эффективности графических методов. Преимущество этих методов особенно очевидно при проектировании приемных устройств с широкими полосами частот входных и выходных сигналов.
Способ и устройство для определения оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот с помощью номограммы комбинационных частот, описанные в книге «Справочник по радиолокации» (Редактор М. Скольник. - М.: Изд. Сов. радио, 1977 г. Т.3, гл. 2, стр.142), приняты за прототип изобретения и состоят в следующем.
пч
г
c
г
c
c
г
пч
Способ основан на использовании номограммы комбинационных частот, построенной в декартовой системе координат. Такая номограмма для преобразования вида f=f-f, («верхняя» настройка гетеродина при f>f, где f - частота входного сигнала, f - частота гетеродина, f - выходная (промежуточная) частота)), приведена на фиг.1. По оси абсцисс номограммы в линейном масштабе отложены нормированные к частоте гетеродина значения частот входных сигналов, а по оси ординат - выходных (промежуточных) частот. При этом относительная, нормированная частота гетеродина становится равной единице. Нормирование частот входных и выходных сигналов к частоте гетеродина позволяет обобщить множество возможных номограмм в одну номограмму.
к
к
Номограмму образуют отрезки наклонных прямых линий, соответствующие комбинационным частотам f. Комбинационные частоты f рассчитывают по формуле (1):
к
пч
г
c
c
г
с
г
где m и n - целые числа натурального ряда (0, 1, 2, 3, …). Числа m соответствуют гармоникам входного сигнала, а n - гармоникам сигнала гетеродина, и, с учетом знаков, образуют индексы, определяющие порядок комбинационной частоты f. При m=1 и n=1 записанная выше формула определяет значения выходных (промежуточных) частот f для трех возможных видов преобразования частот: f-f, f-f, f+f. Сумма абсолютных значений индексов комбинационных частот называется ее порядком, который приближенно оценивает уровень мощности сигнала с этой частотой (Орлов. «Анализ взаимной модуляции, возникающей при использовании кристаллического смесителя». Proceedings of the IEEE, v.52, №2, February 1964, стр.181-187). С увеличением порядков комбинационных частот мощности сигналов, соответствующие этим частотам, уменьшаются.
г
c
c
г
г
c
с
Номограмма, представленная на фиг.1, учитывает комбинационные частоты до 5 порядка включительно. Рядом с отрезками прямых линий на номограмме приведены индексы комбинационных частот, соответствующие этим прямым, причем первое число соответствует индексу m, а второе - индексу n. Например, отрезок прямой с индексом -1 и 1 соответствует полезному выходному сигналу с частотой f-f («верхняя» настройка гетеродина). Отрезок прямой с индексом 3 и -2 соответствует комбинационной частоте 3f-2f, а с индексом -3 и 1 соответствует f-3f. Отрезок с индексом 2 и 0 соответствует второй гармонике входного сигнала 2f.
г
c
Анализ комбинационных частот, образующихся на выходе преобразователя частоты, проводят с помощью плоской раздвижной прямоугольной рамки с окном. Рамку размещают на поверхности чертежа номограммы так, чтобы ее стороны были параллельны координатным осям номограммы, а одна из диагоналей рамки совпадала с отрезком прямой, соответствующей основному виду преобразования. На фиг.1 это изображенный жирной линией отрезок прямой с индексами - 1 и 1 (f-f). При этом длину горизонтальных сторон окна рамки делают численно равными нормированной полосе частот входных сигналов, которые отсчитывают на оси абсцисс, а длину вертикальных сторон - нормированной полосе частот выходных сигналов (промежуточных частот) отсчитывают на оси ординат.
При заданной полосе частот входных сигналов для определенного значения частоты гетеродина может быть определена нормированная полоса входных частот, а сама рамка размещена на поверхности номограммы. При этом определяются комбинационные частоты в полосе выходных частот преобразователя. Критерием попадания комбинационных частот в полосу частот преобразователя является наличие пересечения плоскости окна рамки, расположенной на номограмме, отрезками прямых, соответствующих этим частотам.
Изменение частоты гетеродина приводит к изменению нормированных входных и выходных частот, а сама рамка займет новое положение на номограмме. Перемещая таким образом рамку, можно найти такое ее положение, когда плоскость окна рамки не пересекается отрезками линий ниже заданного порядка. Этому положению рамки будут соответствовать нормированные значения входных частот, знание которых позволяет определить истинные значения входных, выходных и гетеродинных частот, которые и будут оптимальными.
2
1
1
2
г
c
с
г
г
c
c
г
c
с
г
c
г
На фиг.1 приведены три положения рамки для одного и того же диапазона частот входных сигналов с коэффициентом перекрытия f/f=1,5, где fи f соответственно нижняя и верхняя граница диапазона частот входных сигналов. Размеры окна рамки зависят от положения диагонали рамки на отрезке прямой основного вида преобразования (в рассматриваемом случае f-f). Нормированные диапазоны входных частот для соответствующих положений рамок, равны: 0,07…0,105, 0,32…0,48 и 0,65…0,975, а выходных частот равны: 0,895…0,93, 0,52…0,68 и 0,35…0,025. Относительная частота гетеродина во всех трех случаях равна единице. Как видно из номограммы фиг.1, в полосу выходных частот соответствующей правой нижней рамке помимо полезного сигнала попадают комбинационные частоты: 2f-f, 2f-2f и 3f-2f, а в полосу выходных частот средней рамки попадают частоты 2f, 4f-f, 2f-3f. В окно левой верхней рамки не попадают комбинационные частоты до пятого порядка включительно.
Недостатком прототипа является то, что при определении оптимальных значений частоты гетеродина и промежуточной частоты, при заданной полосе частот входных сигналов, перемещение рамки в плоскости номограммы приводит к необходимости расчета изменения ее размеров. Это существенно усложняет поиск оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот, при которых в полосе выходных частот отсутствуют комбинационные частоты ниже заданного порядка.
Техническим результатом изобретения является уменьшение времени поиска оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот и его упрощение.
Технический результат достигается благодаря тому, что прямоугольная рамка с окном выполнена жесткой, а номограмма комбинационных частот выполнена в логарифмическом масштабе по двум координатам. Именно выполнение номограммы в логарифмическом масштабе, при заданной полосе входных частот, обеспечивает постоянство размеров окна рамки. Размеры окна рамки определяются шириной диапазона входных частот (коэффициентом перекрытия).
Изобретение поясняется чертежами.
г
c
На фиг.1 в декартовой системе координат в линейном масштабе представлена номограмма комбинационных частот для преобразования вида f-f.
г
c
На фиг.2 в декартовой системе координат в логарифмическом масштабе представлена номограмма комбинационных частот для преобразования вида f-f.
с
г
На фиг.3 в декартовой системе координат в логарифмическом масштабе представлена номограмма комбинационных частот для преобразования вида f-f.
c
г
На фиг.4 в декартовой системе координат в логарифмическом масштабе представлена номограмма комбинационных частот для преобразования вида f+f.
На фиг.5 представлен эскиз устройства, реализующего способ по изобретению.
На фиг.6 приведена номограмма для конкретного примера определения оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот.
Для уменьшения времени определения оптимальных значений гетеродинных и промежуточных частот и определения индексов тип комбинационных частот, попавших в полосу выходных (промежуточных) частот преобразователя, необходимо использовать номограммы комбинационных частот, выполненные на чертеже в логарифмическом масштабе по двум ортогональным осям координат.
г
c
c
г
пч
г
При построении номограммы комбинационных частот необходимо учитывать, что при гетеродинном преобразовании абсолютное значение ширины полосы преобразуемых частот остается постоянным, т.е. абсолютная ширина полосы выходных (промежуточных) частот всегда численно равна ширине полосы частот входных сигналов. Поэтому при построении номограмм целесообразно использовать масштабную сетку с одинаковым шагом по обеим осям координат. Поскольку входные и выходные частоты преобразователя отличаются друг от друга, значения делений сетки необходимо скорректировать в зависимости от вида преобразования. Для преобразования вида f-f (преобразование с «инверсией») масштабная шкала оси ординат инвертирована, а направление изменения цифровых значений оставлено прежним с возрастанием значений снизу вверх (фиг.2). В этом случае основному виду преобразования соответствует отрезок прямой, а для координат каждой точки этого отрезка выполняется соотношение: f/f+f/f=1.
c
г
c
г
пч
г
c
г
пч
г
c
г
Цифровые значения масштабной шкалы по оси ординат для преобразования вида f-f (преобразования «вниз») сдвинуты на единицу вниз (фиг.3), а для преобразования вида f+f (преобразования «вверх»), сдвинуты по оси ординат на единицу вверх (фиг.4). При таком выборе масштабных шкал основным видам преобразования соответствуют отрезки прямых линий. При этом большинство остальных отрезков линий, соответствующих другим порядкам комбинационных частот, на номограммах перестают быть линейными. Теперь при заданной полосе входных частот перемещение рамки не приведет к изменению размеров ее окна. Для координат каждой точки отрезка линии, соответствующего основному виду преобразования (фиг.3), выполняется соотношение f/f =f/f-1, а для фиг.4 f/f=f/f+1.
На номограммах комбинационных частот на фиг.2, 3 и 4 приведены комбинационные частоты до 5 порядка включительно.
Вычерченную на листе бумаги номограмму, для заданного вида преобразования, прикрепляют на доске, например на доске кульмана (фиг.5), оснащенного жесткой прямоугольной рамкой, размеры окна которой определяются шириной полосы частот входных сигналов, и механизмом перемещения рамки в плоскости номограммы. Рамка жестко одним углом прикреплена к концу пантографа.
2
1
1
2
Для примера на номограммах на фиг.2, 3 и 4 приведены по три разных положения одних и тех же рамок для диапазонов частот с одним и тем же коэффициентом перекрытия f/f=1,5, где f и f, соответственно, - нижняя и верхняя границы диапазона частот входных сигналов.
Нормированные полосы входных частот для рамок номограмм на фиг.2:
0,07…0,105, 0,32…0,48 и 0,65…0,975, и соответственно выходных частот: 0,895…0,93, 0,52…0,68 и 0,025…0,35; на фиг.3: 1,2…1,8, 2,0…3,0 и 4,0…6,0 и, соответственно, выходных: 0,2…0,8, 1,0…2,0 и 3,0…5,0. Для рамок на фиг.4: 0,07…0,105, 0,32…0,48 и 0,65…0,975 и, соответственно, выходных частот: 1,07…1,105, 1,32…1,48 и 1,65…1,975. Частоты гетеродинов нормированы, поэтому равны единице.
На номограммах для простоты построения не показаны отрезки линий, соответствующие гармоникам гетеродина. Эти отрезки перпендикулярны оси абсцисс и начинаются для вариантов, показанных на фиг.3 и 4, в точках 1, 2, 3, и т.д., которые соответствуют первой, второй и т.д. гармоникам гетеродина. В полосу выходных частот преобразователя будут попадать те гармоники гетеродина, которым соответствуют точки, находящиеся строго под окном рамки. Такие гармоники необходимо учитывать наряду с комбинационными частотами в спектре выходных сигналов преобразователя частоты.
С помощью описанных выше номограмм для заданной полосы частот входных сигналов достаточно просто может быть осуществлен поиск значений гетеродинных и промежуточных частот преобразователя. Основным критерием такого поиска является отсутствие в полосе выходных частот комбинационных частот, имеющих порядок ниже заданного. Поскольку таких вариантов может быть несколько, для выбора оптимального варианта следует исходить из соответствия варианта техническим требованиям, предъявляемым изначально к проектируемому приемному устройству.
Для заданной полосы частот входных сигналов и заданному виду преобразования частоты определяют коэффициент перекрытия и выбирают нужную номограмму комбинационных частот. Нормирование частот не приводит к изменению коэффициента перекрытия, поэтому в соответствии с масштабом номограммы определяют размеры окна рамки. Рамку накладывают на номограмму и ориентируют таким образом, чтобы ортогональные стороны ее окна были параллельны координатным осям номограммы, а диагональ рамки совпадала бы с прямой, определяющей основной вид преобразования. Рамку можно накладывать и перемещать с любого места отрезка прямой, который определяет основной вид преобразования. Перемещая рамку, можно для заданной полосы входных частот найти такое ее положение, при котором полость окна рамки не пересекают линии, имеющие порядки ниже заданного.
c1
c2
ПЧ1
ПЧ2
Зафиксировав это положение рамки, определяют нормированные значения граничных частот полосы входных (F-F) и выходных (F÷F) частот сигналов путем отсчитывания их значений на осях координат номограммы напротив концов ортогональных сторон окна рамки. При этом в полосе выходных частот преобразователя будут отсутствовать комбинационные частоты, имеющие порядок ниже заданного.
c
г
пч
г
г
пч
По измеренным граничным значениям нормированного диапазона входных Fc=f/f и выходных Fпч=f/f (промежуточных) частот определяют ненормированные значения частот гетеродина f и ненормированные значения выходных (промежуточных) частот f преобразователя по формулам (2) и (3):
и
,
г
где f - одно из возможных значений частоты гетеродина для диапазона ненормированных входных частот;
пч
г
f - ненормированное значение выходной частоты преобразователя, соответствующее частоте гетеродина f;
c
F - одно из возможных значений нормированной частоты входных сигналов, находящееся в полосе нормированных частот входных сигналов;
пч
F - одно из возможных значений нормированной частоты выходных сигналов, находящееся в полосе нормированных частот выходных сигналов.
c
г
Рассмотрим пример определения комбинационных частот на выходе преобразователя. Допустим, что частоты входных сигналов изменяются в диапазоне 10.0…11.0 ГГц, а сам преобразователь предназначен для преобразования «вниз», т.е. осуществляет преобразование вида f-f. На фиг.6 приведена рассчитанная по формуле (1) соответствующая этому случаю номограмма, выполненная в логарифмическом масштабе, учитывающая комбинационные частоты до седьмого порядка включительно.
2
1
c
г
c
г
По определению в рассматриваемом случае коэффициент перекрытия равен f/f=11 ГГц/10 ГГц=1,1. Установим с помощью масштабной шкалы номограммы размеры окна рамки, соответствующие этому значению коэффициента перекрытия. Первоначально рамка может быть расположена в любом положении на отрезке линии, соответствующей основному виду преобразования (f-f). После чего перемещают рамку диагональю вдоль этой линии, находят такое ее положение, когда окно рамки не пересекают линии, соответствующие комбинационным частотам ниже заданного порядка. Зададим минимальный допустимый порядок комбинационных частот, равный 6. На фиг.6 показано три положения одной и той же рамки. В левую, нижнюю рамку попадает комбинационная частота седьмого порядка (4f-3f), а в две другие рамки не попадают комбинационные частоты ниже 7 порядка включительно.
Нормированный диапазон входных частот для левой рамки, равен: 1,15…1,265, а выходных частот - 0,15…0,265, для средней рамки, соответственно, 2,25…2,475 и 1,25…1,475 и для правой рамки 4,5…4,95 и 3,5…3,95. Напомним, что нормированная частота гетеродинного сигнала равна единице, а его гармоники n=2, 3, 4,… Поэтому, чтобы ни одна из гармоник гетеродина не попала в полосу выходных частот, надо следить за тем, чтобы рамка не находилась над точками оси абсцисс, равными этим значениям n. В нашем примере это требование выполняется.
По формуле (2) для заданного диапазона частот 10,0…11,0 ГГц определим истинные значения гетеродинных частот, которые будут равны: для левой, средней и правой рамки, соответственно, 8,7 ГГц, 4,4 ГГц и 2,2 ГГц, а по формуле (3) определим выходные (промежуточные) частоты, соответственно 1,3…2,3 ГГц, 5,6…6,6 ГГц и 7,8…8,8 ГГц.
Приведенные выше значения частот рассчитывались с точностью до первого знака после запятой, что никак не сказалось на конечном результате. Окончательный вариант из трех приведенных выше может быть выбран с учетом требований, предъявляемых к конкретной аппаратуре с учетом наличия комплектующих изделий и физической реализуемости.
Технический результат изобретения достигается благодаря тому, что устройство для осуществления способа содержит плоскую прямоугольную доску 1 (фиг.5), например, чертежную, чертеж номограммы 2 комбинационных частот, выполненный в логарифмическом масштабе по двум прямоугольным осям координат, например, на листе ватмана, и прикреплен к поверхности доски 1, например, кнопками, так чтобы оси координат номограммы были параллельны ортогональным краям доски. Причем устройство содержит жесткую прямоугольную рамку 3 с окном, механизм перемещения 4 прямоугольной рамки 3 по двум координатам чертежа номограммы в плоскости доски и устройство 5 крепления механизма перемещения 4 к доске 1. Механизм перемещения 4 прямоугольной рамки 3 выполнен, например, в виде пантографного устройства. Жесткая прямоугольная рамка одним углом жестко закреплена на свободном конце пантографного устройства. В качестве доски 1 может быть использована чертежная доска. Жесткая прямоугольная рамка 3 выполнена в виде двух жестко скрепленных ортогонально одними концами линеек 6, и двух дополнительных ортогонально жестко скрепленных линеек 7 и также жестко скрепленных с линейками 6. Внутренние края линеек образуют окно рамки. В соответствии с выбранным масштабом ортогональные линейки 7 устанавливают на линейках 6 в виде прямоугольника и жестко скрепляют, например, струбцинами, таким образом, чтобы длины горизонтальных сторон окна рамки были равны ширине нормированной полосы входных частот, а длины вертикальных сторон - выходных частот по шкалам номограмм.
При определении гетеродинных и промежуточных частот диагональ прямоугольной рамки 3 должна быть всегда совмещена с отрезком прямой линии, который определяет основной вид преобразования. Перемещают рамку диагональю вдоль этого отрезка, выбирают такое ее положение, когда ее окно не пересекают линий, соответствующие комбинационным частотам ниже заданного порядка.
Практическая значимость предложенного технического решения заключается в возможности существенного ускорения и упрощения поиска оптимальных значений, гетеродинных и промежуточных частот, при которых в диапазоне выходных рабочих частот преобразователя частоты отсутствуют комбинационные частоты ниже заданных порядков.
Устройство для осуществления способа реализовано в виде кульмана - чертежного прибора пантографной системы, состоящего из чертежной доски (стола) и пантографного устройства (пантограф - раздвижной, шарнирный параллелограмм, выполненный из металлических реек). К двум ортогональным линейкам, закрепленным на свободном конце пантографного устройства, прикреплены аналогичные ортогональные линейки, скрепленные струбцинами так, что четыре линейки образуют жесткую прямоугольную рамку с окном. Рамку, с помощью пантографного устройства, можно перемещать по двум ортогональным координатам чертежа номограммы, прикрепленного к доске кульмана, например, кнопками.
Отличительные признаки изобретения
1. Прямоугольная рамка с окном выполнена жесткой, размеры ее окна постоянны и равны ширине диапазона входных частот (коэффициенту перекрытия), причем номограмма комбинационных частот преобразователя частоты выполнена в логарифмическом масштабе по двум ортогональным координатам.
2. В устройство для осуществления способа дополнительно введены пантографное устройство и механизм крепления пантографного устройства к доске, на которой закреплен чертеж номограммы, причем прямоугольная рамка с окном выполнена жесткой и одним углом жестко закреплена на свободном конце пантографного устройства, так что ее ортогональные стороны параллельны соответствующим ортогональным осям координат чертежа номограммы комбинационных частот.