Многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов

 

Использование: радиотехника, активные фазированные системные решетки, автоколебательные системы сложения мощностей. Сущность изобретения: многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов содержит подстраиваемые источники сигнала, сумматор, амплитудный детектор, блок согласования, формирователь управляющих сигналов, дополнительные блоки согласования, блок формирования сигналов биений, блок измерения частот биений и вспомогательный блок. В устройстве повышается стабильность к технологическим разбросам и температурная стабильность при выполнении подстраиваемых источников сигнала в виде автогенераторов. 5 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения, в частности в активных фазированных антенных решетках, автоколебательных системах сложения мощностей.

Известно многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов, состоящее из подстраиваемых по фазе источников сигнала, подключенных к входам сумматора, амплитудного детектора, подключенного к выходу сумматора, последовательно соединенных блока согласования и формирователя управляющих сигналов, выходы которого через соответствующие дополнительные блоки согласования подключены к управляющим входам подстраиваемых источников сигнала, при этом выход амплитудного детектора подключен к входу блока согласования, формирователь управляющих сигналов вырабатывает управляющие сигналы для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала до получения экстремального значения сигнала на его входе.

Недостатком этого устройства является невысокая стабильность к технологическим разбросам и невысокая температурная стабильность устройства при выполнении подстраиваемых источников сигнала в виде автогенераторов с управлением по частоте (вплоть до потери работоспособности при различных собственных частотах автогенераторов). Это объясняется тем, что при отличающихся друг от друга частотах автогенераторов, что как раз и будет из-за разброса параметров, связанных с технологией производства, при изменении температуры в известном устройстве на выходе сумматора появляются биения сигналов, что и приводит к потере им работоспособности из-за срыва механизма автоподстройки вследствие отсутствия синхронного режима между колебаниями подстраиваемых источников сигнала.

В результате применения изобретения повышается стабильность к технологическим разбросам и температурная стабильность при выполнении подстраиваемых источников сигнала в виде автогенераторов.

Это достигается тем, что в многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов, содержащее подстраиваемые источники сигнала, подключенные к входам сумматора, амплитудный детектор, подключенный к выходу сумматора последовательно соединенные блок согласования и формирователь управляющих сигналов, выходы которого через соответствующие дополнительные блоки согласования подключены к управляющим входам подстраиваемых источников сигнала, при этом выход амплитудного детектора подключен к входу блока согласования, формирователь управляющих сигналов выполнен вырабатывающим в синхронном режиме сигналы для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала до получения экстремального значения сигнала на его входе, между выходом сумматора и дополнительным входом формирователя управляющих сигналов введены последовательно соединенные блок формирования сигналов биений, блок измерения частот биений и вспомогательный блок согласования, при этом сумматор выполнен в виде многополюсника с взаимными связями между входами, а формирователь управляющих сигналов выполнен также обеспечивающим до синхронного режима выработку дополнительного сигнала для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала до устранения на его вспомогательном входе сигнала биений.

Блок формирования сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных нелинейного элемента с квадратичной характеристикой и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностных частот, и дополнительного амплитудного детектора.

Кроме того, блок формирования сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала, и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностных частот, формирователя и счетчика.

Блок формирования сигналов биений может быть выполнен и в виде последовательно соединенных смесителя, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала, и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностных частот, и синхронного детектора, другой вход которого подключен к выходу полосового фильтра разностных частот.

Кроме того, повысить точность фазирования и эффективность сложения мощностей можно включением между выходом амплитудного детектора и входом блока согласования последовательно соединенных вычитателя, другой вход которого является входом опорного сигнала, и функционального делителя вида 1/х, где х - сигнал на входе функционального делителя.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов; на фиг. 2-4 - структурные электрические схемы многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов с различным выполнением блока формирования сигналов биений и блока измерения частот биений; на фиг. 5 - структурная электрическая схема устройства со сложением и фазированием сигналов с включенными в него вычитателем и функциональным делителем вида 1/х.

Многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов содержит подстраиваемые источники сигнала 1₁,1₂...1_N, сумматор 2, выполненный в виде многополюсника с взаимными связями между входами, амплитудный детектор 3, блок согласования 4 и формирователь управляющих сигналов 5, дополнительные блоки согласования 6₁, 6₂...6_N, блок 7 формирования сигналов биений, блок 8 измерения частот биений и вспомогательный блок согласования 9, а также нелинейный элемент 10 с квадратичной характеристикой и полосовой фильтр 11 разностных частот, фильтр 12 верхних частот, выполненный с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра 11 разностных частот, дополнительный амплитудный детектор 13, смеситель 14, формирователь 15, счетчик 16, синхронный детектор 17, вычитатель 18, функциональный делитель 19 вид 1/х, где х - сигнал на входе функционального делителя 19.

Многоканальное устройство со сложением и фазированием сигналов работает следующим образом.

Сигналы с выходов подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N выполненных в виде автогенераторов с управлением по частоте, поступают на вход сумматора 2, выполненного в виде многополюсника с взаимными связями между входами. В случае, если технологические или температурные разбросы частот подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N не превышают полосы взаимной синхронизации, обусловленной взаимными связями между входами сумматора 2, на его выходе имеется гармоническое колебание с единой частотой и амплитудой, определяемой взаимной фазировкой колебаний подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N. При этом на выходе амплитудного детектора 3 напряжение достигает максимума, если все колебания на выходах подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N оптимальным образом сфазированы (синфазны). С выхода амплитудного детектора 3 через блок согласования 4 сигнал поступает на формирователь управляющих сигналов 5, который вырабатывает при этом сигнал для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала 1₁, 1₂. ..1_N до получения экстремального значения сигнала на его входе. Этот сигнал поступает на управляющие входы подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂. ..1_N с выходов формирователя управляющих сигнала 5 через соответствующие дополнительные блоки согласования 6₁,6₂...6_N. Поскольку режим работы подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N сказывается синхронным, то в этом случае на входе блока 7 формирования сигналов биений, а следовательно, и блока 8 измерения частот биений сигнал отсутствует.

В случае, если технологические или температурные разбросы частот подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N превышают полосу взаимной синхронизации, на выходе сумматора 2 имеется сложный сигнал из колебаний нескольких частот, каждое из которых может быть амплитудно- и частотно-модулированным. С выхода сумматора 2 он поступает на последовательно соединенные блок 7 формирования сигналов биений и блок 8 измерения частот биений, в которых обрабатывается так, что на выходе блока 8 измерения частот биений формируется сигнал с информацией о величине расстройки по частоте подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂...1_N друг относительно друга, причем преобладающий вклад в значение этого сигнала вносят биения между наиболее расстроенными по частоте колебаниями подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂...1_N.

Таким образом, на выходе блока измерения частот биений 8 появляется сигнал, пропорциональный разнице частот между наиболее распространенными по частоте подстраиваемыми источниками сигнала 1₁, 1₂...1_N. Он через вспомогательный блок согласования 9 поступает на дополнительный вход формирователя управляющих сигналов 5, который при ненулевом сигнале на этом входе вырабатывает дополнительный сигнал для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала 1₁, 1₂...1_N, поступающий на управляющие входы подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂...1_N через соответствующие дополнительные блоки согласования 6₁,6₂...6_N. При этом расстройка между отдельными подстраиваемыми источниками сигнала 1₁,1₂...1_N по частоте на каждом шаге управления уменьшается до устранения на вспомогательном входе формирователя управляющих сигналов 5 сигнала биений, после чего в качестве входного сигнала формирователя управляющих сигналов 5 опять используется сигнал с выхода амплитудного детектора 3.

Блок 7 формирования сигналов биений и блок 8 измерения частот биений работает следующим образом.

При выполнении многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов согласно фиг.1 сложный сигнал колебаний нескольких частот с выхода сумматора 2 поступает на вход блока 7 формирования сигналов биений, содержащий последовательно соединенные нелинейный элемент 10 с квадратичной характеристикой и полосовой фильтр 11. На нелинейном элементе 10 с квадратичной характеристикой эти колебания смешиваются, в результате чего появляются различные комбинационные составляющие, определяемые попарным взаимодействием колебаний подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N с разными частотами. Из этого сигнала полосовым фильтром 11 разностных частот выделяются только разностные комбинационные составляющие, которые и поступают на блок 8 измерения частот сигналов биений, содержащий последовательно соединенные фильтр верхних частот 12, выполненный с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра 11 разностных частот, и дополнительный амплитудный детектор 13.

При этом после прохождения суммы попарных разностных составляющих через фильтр верхних частот 12 значение разностных составляющих, обусловленных максимально расстроенными по частоте колебаниями подстраиваемых источников сигнала увеличивается так, что на выходе дополнительного амплитудного детектора 13 формируется сигнал, в значение которого преобладающий вклад вносят биения между наиболее расстроенными по частоте подстраиваемыми источниками сигнала 1₁,1₂...1_N. Таким образом, после амплитудного детектора 13 получается аналоговый сигнал, пропорциональный максимальной расстройке по частоте между подстраиваемыми источниками сигнала 1₁, 1₂...1_N, который и поступает через вспомогательный блок согласования 9 на дополнительный вход формирователя управляющих сигналов 5.

При выполнении многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов согласно фиг. 3 сложный сигнал из колебаний нескольких частот с выхода сумматора 2 поступает на вход блока 7 формирования сигналов биений, содержащий последовательно соединенные смеситель 14, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала 1 и полосовой фильтр 11 разностных частот. На смесителе 14, осуществляющем перемножение сложного суммарного сигнала с выхода сумматора и колебания с выхода одного из подстраиваемых источников сигнала, колебания подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N смешиваются, в результате чего появляются их различные комбинационные, определяемые попарным взаимодействием колебаний двух разных частот. Из этого сигнала полосовым фильтром 11 разностных частот выделяются только разностные комбинационные составляющие, которые и поступают на блок 8 измерения частот сигналов биений, содержащий последовательно соединенные фильтр верхних частот 12, выполненный с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра 11 разностных частот, формирователь 15 и счетчик 16.

При этом после прохождения суммы попарных разностных составляющих через фильтр верхних частот 12 значение разностных составляющих, обусловленных максимально расстроенными по частоте колебаниями подстраиваемых источников сигнала, увеличивается, что на входе формирователя 15 появляется сложное периодическое колебание, частота которого определяется в основном наибольшей частотой биений, т.е. наибольшей расстройкой между частотами подстраиваемых источников сигнала. Таким образом, после формирователя 15 получается периодический сигнал, частота которого равна максимальной расстройке по частоте между подстраиваемыми источниками сигнала, которая и определяется счетчиком 16 и поступает через вспомогательный блок согласования 9 на дополнительный вход формирователя управляющих сигналов 5.

При выполнении многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов согласно фиг. 4 сложный сигнал из колебаний нескольких частот с выхода сумматора 2 поступает на вход блока 7 формирования сигналов биений, содержащий последовательно соединенные смеситель 14, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала 1, и полосовой фильтр 11 разностных частот. На смесителе 14, осуществляющем перемножение сложного суммарного сигнала с выхода сумматора 2 и колебания с выхода одного из подстраиваемых источников сигнала, колебания подстраиваемых источников сигнала 1₁,1₂...1_N смешиваются, в результате чего появляются их различные комбинационные составляющие, определяемые попарным взаимодействием колебаний двух разных частот. Из этого сигнала полосовым фильтром 11 разностных частот выделяются только разностные комбинационные составляющие, которые и поступают на блок измерения частот сигналов биений 8, содержащий последовательно соединенные фильтр верхних частот 12, выполненный с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра 11 разностных частот, и синхронный детектор 17, другой вход которого подключен к выходу полосового фильтра 11 разностных частот. При этом после прохождении суммы попарных разностных составляющих через фильтр верхних частот 12 значение разностных составляющих, обусловленных максимально расстроенными по частоте колебаниями подстраиваемых источников сигнала, увеличивается так что на выходе синхронного детектора 17 после перемножения с сигналом на другом его входе, подключенном к выходу полосового фильтра разностных частот 11, формируется сигнал с информацией о величине расстройки по частоте колебаний подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂...1_N друг относительно друга, причем преобладающий вклад в значение этого сигнала вносят биения между наиболее расстроенными по частоте подстраиваемыми источниками сигнала 1₁, 1₂. . . 1_N. Таким образом, после синхронного детектора 17 получается аналоговый сигнал с величиной пропорциональной максимальной расстройки по частоте между подстраиваемыми источниками сигнала 1₁,1₂...1_N, который и поступает через вспомогательный блок согласования 9 на дополнительный вход формирователя управляющих сигналов 5.

При выполнении многоканального устройства со сложением и фазированием сигналов согласно фиг. 5 в синхронном режиме его работы сигнал с выхода амплитудного детектора 3 поступает на первый вход вычитателя 18, на другой вход которого поступает опорный сигнал U_оп. В случае, если величина опорного сигнала U_оп больше максимального напряжения на выходе амплитудного детектора 3 U_max, так что выполняется условие U_max + 1 > U_оп > U_max, после обработки разностного сигнала с выхода вычитателя 18 функциональным делителем 19 вид 1/х достигается обострение зависимости сигнала на выходе функционального делителя 19 от фазовых соотношений между колебаниями на выходах подстраиваемых источников сигнала 1₁, 1₂. . . 1_N, что приводит к повышению точности фазирования и эффективности сложения мощностей подстраиваемых источников сигнала на выходе сумматора 2.

Формула изобретения

1. МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО СО СЛОЖЕНИЕМ И ФАЗИРОВАНИЕМ СИГНАЛОВ, содержащее подстраиваемые источники сигнала, подключенные к входам сумматора, амплитудный детектор, подключенный к выходу сумматора, последовательно соединенные блок согласования и формирователь управляющих сигналов, выходы которого через соответствующие дополнительные блоки согласования подключены к управляющим входам подстраиваемых источников сигнала, при этом выход амплитудного детектора подключен к входу блока согласования, формирователь управляющих сигналов выполнен вырабатывающим в синхронном режиме сигналы для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала до получения экстремального значения сигнала на его входе, отличающееся тем, что между выходом сумматора и дополнительным входом формирователя управляющих сигналов включены последовательно соединенные блок формирования сигналов биений, блок измерения частот биений и вспомогательный блок согласования, при этом сумматор выполнен в виде многополюсника с взаимными связями между входами, а формирователь управляющих сигналов выполнен также обеспечивающим до синхронного режима работы выработку дополнительного сигнала для поканального поочередного управления подстраиваемыми источниками сигнала до устранения на его вспомогательном входе сигнала биений.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных нелинейного элемента с квадратичной характеристикой и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностных частот, и дополнительного амплитудного детектора.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала, и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностных частот, и синхронного детектора, другой вход которого поключен к входу полосового фильтра разностных частот.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных смесителя, гетеродинный вход которого подключен к выходу одного из подстраиваемых источников сигнала, и полосового фильтра разностных частот, а блок измерения частот сигналов биений выполнен в виде последовательно соединенных фильтра верхних частот, выполненного с частотой среза, расположенной в полосе пропускания полосового фильтра разностной частоты, формирователя и счетчика.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход амплитудного детектора подключен к входу блока согласования через введение последовательно соединенные вычитатель, другой вход которого является входом опорного сигнала, и функциональный делитель вида 1/x, где x-сигнал на входе функционального делителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5