Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство и его варианты

 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в устройствах средств связи, устройствах радиопротиводействия и радиотехнической разведки, а также в сложных радиотехнических устройствах для расширения диапазона рабочих частот. Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство по первому и второму вариантам использует в качестве гетеродинных сигналов входного и выходного преобразователей суммарные и разностные сигналы высокочастотного и низкочастотного гетеродинов. Эти сигналы могут быть выделены на выходах отдельных смесителей или с помощью частотно-избирательных разветвителей, включаемых на выходах смесителей. Использование предлагаемого технического решения позволяет создавать широкополосные сверхвысокочастотные приемопередающие устройства с большим динамическим диапазоном входных сигналов с уменьшенными в два раза значениями гетеродинных частот и уменьшенным в два раза диапазоном перестройки частот гетеродинных сигналов. 2 c.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в устройствах средств связи, устройствах радиопротиводействия и радиотехнической разведки, а также в сложных радиотехнических устройствах для расширения диапазона рабочих частот.

Известно приемопередающее устройство для ретрансляции радиосигналов, содержащее приемную антенну, приемоусилительный блок, передающий блок с модулятором и выходную антенну [1].

Принимаемый приемной антенной сигнал поступает в приемо-усилительное устройство, где обрабатывается, усиливается, после чего поступает в передающий блок, осуществляющий усиление и модуляцию сигнала, и далее излучается с помощью антенны. Недостатком такого устройства является узкополосность.

Известно также приемопередающее устройство СВЧ, выбранное в качестве прототипа, содержащее последовательно соединенные приемную антенну, приемный блок, содержащий входной преобразователь частоты, базовый блок обработки сигналов, передающий блок, содержащий выходной преобразователь частоты, гетеродин, соединенный с гетеродинными входами смесителей приемного и передающего блоков, и излучающую антенну [2].

Принятый антенной радиосигнал поступает на вход приемного блока, в смесителе которого несущая частота радиосигнала с помощью гетеродина преобразуется в рабочий диапазон частот базового блока. После обработки сигнала в базовом блоке он поступает в передающий блок, в смесителе которого с помощью того же гетеродина восстанавливается частота сигнала, а сам сигнал с помощью излучающей антенны излучается в заданном направлении.

Недостатком описанного устройства при его использовании в диапазоне СВЧ является высокая частота гетеродина, превышающая в ряде случаев 20,0-30,0 ГГц, что существенно затрудняет реализацию рассматриваемого устройства, а также ухудшает частотную стабильность выходных сигналов приемопередающего устройства. Кроме того, недостатком рассматриваемого устройства является широкий диапазон перестройки гетеродина. Поясним эти утверждения на примере.

С помощью узкополосного базового блока можно обрабатывать сигналы СВЧ в широком диапазоне частот путем изменения частоты гетеродина. Например, с помощью базового блока обработки сигналов, работающего в диапазоне рабочих частот 2,5...4,5 ГГц, можно обрабатывать радиосигналы, несущие частоты которых изменяются в диапазоне 6,5...18,5 ГГц. При дискретной перестройке частоты гетеродина в полосе частот 11,0...21,0 ГГц с шагом 2,0 ГГц будут последовательно обрабатываться входные сигналы, частоты которых изменяются в поддиапазонах 6,5. . . 8,5 ГГц, 8,5...10,5 ГГц и т.д., 16,5...18,5 ГГц. В настоящее время широкое применение находят цифровые устройства обработки сигналов, работающие в низкочастотной области диапазона СВЧ на частотах порядка нескольких десятков или сотен МГц. В этом случае возникают трудности, связанные с фильтрацией СВЧ сигналов после преобразования их частот. Для упрощения процесса фильтрации приходится повышать диапазоны рабочих частот базовых блоков обработки сигналов до значений порядка 8 и даже 12 ГГц, что приводит к существенному увеличению гетеродинных частот. Для повышения диапазона рабочих частот базовых блоков обычно используют дополнительное преобразование частот.

Технической задачей данного изобретения является создание сверхвысокочастотного приемопередающего устройства с уменьшенными значениями частот гетеродинов, изменяющихся в уменьшенном диапазоне частот при широком династическом диапазоне входных сигналов и сверхширокой полосе частот входных сигналов.

Поставленная задача решается в сверхвысокочастотном приемопередающем устройстве по первому варианту, содержащему приемную и передающую антенны, последовательно соединенные первый смеситель, базовый блок обработки сигналов и второй смеситель, а также гетеродин, в которое согласно изобретению введены последовательно соединенные третий смеситель и первый фильтр СВЧ, включенные между выходом входной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенные второй фильтр СВЧ и четвертый смеситель, включенные между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, первый высокочастотный гетеродин, соединенный через дополнительно введенные и последовательно соединенные пятый смеситель и третий фильтр СВЧ с гетеродинным входом первого смесителя, а также соединенный через дополнительно введенные и последовательно соединенные шестой смеситель и четвертый фильтр СВЧ с гетеродинным входом третьего смесителя, второй высокочастотный гетеродин, соединенный через дополнительно введенные и последовательно соединенные седьмой смеситель и пятый фильтр СВЧ с гетеродинным входом второго смесителя, а также соединенный через дополнительно введенные и последовательно соединенные восьмой смеситель и шестой фильтр СВЧ с гетеродинным входом четвертого смесителя, при этом гетеродин подключен к гетеродинным входам пятого, шестого, седьмого и восьмого смесителей, при этом третий, четвертый, пятый и шестой фильтры СВЧ выполнены соответственно в виде фильтров разностной, суммарной, разностной и суммарных частот или соответственно в виде фильтров суммарной, разностной, суммарной и разностной частот.

Поставленная задача решается в сверхвысокочастотном приемопередающем устройстве по второму варианту, содержащему приемную и передающую антенны, последовательно соединенные первый смеситель, базовый блок обработки сигналов и второй смеситель, а также гетеродин, в которое согласно изобретению введены последовательно соединенные третий смеситель и первый фильтр СВЧ, включенные между выходом входной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенные второй фильтр СВЧ и четвертый смеситель, включенные между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, а также дополнительно введены первый и второй высокочастотные гетеродины, пятый и шестой смесители, первый и второй делители мощности и третий, четвертый, пятый и шестой фильтры СВЧ, причем первый высокочастотный гетеродин через пятый смеситель соединен с входом первого делителя мощности, первый выход которого через третий фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом первого смесителя, а второй выход через четвертый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом третьего смесителя, второй высокочастотный гетеродин через шестой смеситель соединен с входом второго делителя мощности, первый выход которого через пятый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом второго смесителя, а второй выход через шестой фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом четвертого смесителя, при этом гетеродин соединен с гетеродинными входами пятого и шестого смесителей, а третий, четвертый, пятый и шестой фильтры СВЧ выполнены соответственно в виде фильтров разностной, суммарной, разностной и суммарных частот или соответственно в виде фильтров суммарной, разностной, суммарной и разностной частот.

Дополнительное введение в сверхвысокочастотное приемопередающее устройство последовательно соединенных третьего смесителя и первого фильтра СВЧ, включенных между выходом приемной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенных второго фильтра СВЧ и четвертого смесителя, включенных между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, дополнительного первого высокочастотного гетеродина, соединенного через дополнительно введенные и последовательно соединенные пятый смеситель и третий фильтр СВЧ с гетеродинным входом первого смесителя, а также соединенный через дополнительно введенные и последовательно соединенные шестой смеситель и четвертый фильтр СВЧ с гетеродинным входом третьего смесителя, дополнительного второго высокочастотного гетеродина, соединенного через дополнительно введенные и последовательно соединенные седьмой смеситель и пятый фильтр СВЧ с гетеродинным входом второго смесителя, а также через дополнительно введенные и последовательно соединенные восьмой смеситель и шестой фильтр СВЧ с гетеродинным входом четвертого смесителя, причем гетеродин подключен к гетеродинным входам пятого, шестого, седьмого и восьмого смесителей, позволяет в два раза уменьшить частоту низкочастотного гетеродина при заданной ширине полосы рабочих частот устройства, уменьшает в два раза диапазон перестройки, что позволяет расширить диапазон рабочих частот устройства и повышает стабильность частоты гетеродина, упрощает и удешевляет устройство.

Дополнительное введение в сверхвысокочастотное приемопередающее устройство последовательно соединенных третьего смесителя и первого фильтра СВЧ, включенных между выходом приемной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенных второго фильтра СВЧ и четвертого смесителя, включенных между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, дополнительного первого высокочастотного гетеродина, соединенного через пятый смеситель с входом первого делителя мощности, первый выход которого через третий фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом первого смесителя, а второй выход через четвертый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом третьего смесителя, дополнительного второго высокочастотного гетеродина, соединенного через шестой смеситель с входом второго делителя мощности, первый выход которого через пятый фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом второго смесителя, а второй выход через шестой фильтр СВЧ соединен с гетеродинным входом четвертого смесителя, причем гетеродин соединен с гетеродинными входами пятого и шестого смесителей, позволяет в два раза уменьшить частоту гетеродина, а в случае использования перестраиваемого гетеродина при заданной ширине полосы рабочих частот устройства уменьшает в два раза диапазон перестройки и увеличивает мощность гетеродинных сигналов, поступающих в смесители устройства, что позволяет расширять диапазон рабочих частот устройства, расширять динамический диапазон входных сигналов при перестройке низкочастотного гетеродина, повышает стабильность гетеродина, а также упрощает и удешевляет устройство.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема сверхвысокочастотного приемопередающего устройства; на фиг. 2 - структурная электрическая схема другого варианта сверхвысокочастотного приемопередающего устройства.

Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство (фиг.1) содержит приемную и передающую антенны 1 и 2, последовательно соединенные третий смеситель 3, первый фильтр 4 СВЧ, первый смеситель 5, базовый блок обработки сигналов 6, второй смеситель 7, второй фильтр 8 СВЧ и четвертый смеситель 9, включенные между выходом приемной антенны 1 и входом передающей антенны 2, первый высокочастотный гетеродин 10, выход которого через последовательно соединенные пятый смеситель 11 и третий фильтр 12 СВЧ соединен с гетеродинным входом первого смесителя 5 и через последовательно соединенные шестой смеситель 13 и четвертый фильтр 14 СВЧ соединен с гетеродинным входом третьего смесителя 3, а также второй высокочастотный гетеродин 15, выход которого через последовательно соединенные седьмой смеситель 16 и пятый фильтр 17 СВЧ соединен с гетеродинным входом второго смесителя 7 и через последовательно соединенные восьмой смеситель 18 и шестой фильтр 19 СВЧ соединен с гетеродинным входом четвертого смесителя 9, причем гетеродин 20 соединен с гетеродинными входами пятого смесителя 11, шестого смесителя 13, седьмого смесителя 15 и восьмого смесителя 18.

Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство по второму варианту (фиг.2) содержит приемную и передающую антенны 1 и 2, последовательно соединенные третий смеситель 3, первый фильтр 4 СВЧ, первый смеситель 5, базовый блок обработки сигналов 6, второй смеситель 7, второй фильтр 8 СВЧ и четвертый смеситель 9, включенные между выходом приемной антенны 1 и входом передающей антенны 2, первый высокочастотный гетеродин 21, выход которого через пятый смеситель 22 соединен с входом первого делителя мощности 23, первый выход которого через третий фильтр 24 соединен с гетеродинным входом первого смесителя 5, а второй выход через четвертый фильтр 25 СВЧ соединен с гетеродинным входом третьего смесителя 3, второй высокочастотный гетеродин 26, выход которого через шестой смеситель 27 соединен со входом второго делителя мощности 28, первый выход которого через пятый фильтр СВЧ 29 соединен с гетеродинным входом второго смесителя 7, а второй выход через шестой фильтр 30 соединен с гетеродинным входом четвертого смесителя 9, причем гетеродин 31 соединен с гетеродинными входами пятого смесителя 22 и шестого смесителя 27.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом. Входные сигналы, принятые антенной 1, поступают на вход смесителя 3, в котором преобразуются вверх по оси частот, фильтруются фильтром 4, после чего смесителем 5 преобразуются в диапазон рабочих частот базового блока обработки сигналов 6. Режимы работы смесителей 3 и 5 и величины их гетеродинных частот выбираются такими, чтобы частоты выходных сигналов смесителя 3 были существенно больше частот входных сигналов (в пять - десять раз и более), что позволяет эффективно отфильтровывать фильтром 4 полезные сигналы от мощных комбинационных составляющих и гармоник низких порядков [3]. При этом увеличиваются динамический диапазон и полоса входных частот сверхвысокочастотного приемопередающего устройства.

В качестве гетеродинных сигналов смесителей 3, 5, 7 и 9 используются сигналы с суммарными и разностными частотами высокочастотных гетеродинов 10, 15 и гетеродина 20, образуемые в смесителях 11, 13, 16 и 18. Для упрощения устройства желательно гетеродины 10 и 15 настраивать на одну и ту же частоту. В этом случае фильтры 4 и 8 будут одинаковыми. Если фильтром 14 выделяется сигнал с суммарной частотой, то фильтром 12 должен выделяться сигнал с разностной частотой. Возможен другой вариант - фильтром 14 выделяется разностный сигнал, а фильтром 12 - суммарный. Аналогично фильтром 17 выделяется сигнал с разностной частотой, а фильтром 19 - сигнал с суммарной частотой или наоборот. В этом случае частоты гетеродинных сигналов, поступающие на смесители 5, 7 и 3, 9 отличаются друг от друга на величину, равную удвоенному значению частоты гетеродина 20, т.е. частота и диапазон перестройки гетеродина 20 уменьшаются в два раза.

Для примера рассмотрим сверхвысокочастотное приемопередающее устройство, в котором используется базовый блок 6, работающий в диапазоне частот 2,5... 4,5 ГГц, а высокочастотные гетеродины 10 и 15 настроены на частоту 90 ГГц. Для обработки сигналов, частоты которых изменяются в диапазоне 6,5...18,5 ГГц, частота гетеродина прототипа при использовании упомянутого базового блока изменялась дискретно в диапазоне 11...21 ГГц с шагом 2,0 ГГц (см. пример на стр. 2 данного описания). Нетрудно показать, что в рассматриваемом случае частота гетеродина 20 будет в два раза меньше и будет изменяться в диапазоне 5,5...10,5 ГГц.

Если при рассматриваемых выше условиях фильтры 14 и 19 выделяют сигналы, частоты которых равны разности частот высокочастотных гетеродинов 10, 15 и гетеродина 20, а фильтры 12 и 17 - равные сумме этих частот, то частоты гетеродинных сигналов смесителей 3 и 9 будут изменяться в диапазоне 79,0... 84,5 ГГц, а смесителей 5 и 7 - в диапазоне 95,5...100,5 ГГц. В этом случае при настройке гетеродина 20 на частоту 5,5 ГГц входные сигналы устройства, частоты которых изменяются в диапазоне 6,5...8,5 ГГц, преобразуются с помощью смесителя 3, частота гетеродина которого равна 84,5 ГГц, в диапазон 91,0...93,0 ГГц и далее с помощью смесителя 5, частота гетеродинного сигнала которого равна 95,5 ГТц, в диапазон рабочих частот базового блока обработки сигналов 6 2,5. ..4,5 ГГц. После обработки в базовом блоке 6 сигналы с помощью смесителя 7, частота гетеродинного сигнала которого равна 95,5 ГГц, преобразуются в диапазон 91,0...93,0 ГГц и далее с помощью смесителя 9, частота гетеродинного сигнала которого равна 84,5 ГГц, - в диапазон 6,5...8,5 ГГц. Настроив частоту гетеродина 20 на 7,5 ГГц обработаем диапазон 8,5... 10,5 ГГц и т.д. Если частота гетеродина 20 будет настроена на частоту 10,5 ГГц, то будет обрабатываться диапазон 16,5...18,5 ГГц. При этом за счет эффективной фильтрации паразитных сигналов фильтрами 4 и 8, имеющих полосы прозрачности в высокочастотной части диапазона СВЧ, в полосу выходных частот устройства не будут попадать частоты комбинационных составляющих и гармоник низких порядков. Экспериментальная проверка показала, что на выходе устройства, реализованного по описанной схеме, мощность полезных выходных сигналов превышает мощность паразитных сигналов более чем на 60 дВ.

Устройство, схема которого приведена на фиг.2, работает аналогично описанному выше. В качестве гетеродинных сигналов смесителей 3, 5, 7 и 9 в нем также используются сигналы с суммарной и разностной частотами высокочастотных гетеродинов 21, 26 и гетеродина 31, причем для упрощения устройства желательно гетеродины 21 и 26 настраивать на одну и ту же частоту. В данном устройстве разделение выходных сигналов смесителей 22 и 27 на суммарный и разностный сигналы осуществляется частотно-избирательными разветвителями, состоящими во входном преобразователе из делителя мощности 23 и фильтров 24 и 25 и в выходном преобразователе из делителя 28 и фильтров 29 и 30.

В последнем случае суммарный и разностный сигналы образуются одним смесителем, т.е. сигнал каждого высокочастотного гетеродина подводится только к одному смесителю. Сигнал высокочастотного гетеродина 21 подводится к смесителю 22, а гетеродина 26 - к смесителю 27. Это увеличивает мощность гетеродинных сигналов смесителей 3, 5, 7 и 9, что уменьшает потери в этих смесителях, увеличивает диапазон рабочих частот и динамических диапазон входных сигналов сверхвысокочастотного приемопередающего устройства, а также упрощает и удешевляет это устройство.

Если из устройств, схемы которых приведены на фиг.1 и 2, исключить передающий блок и выходную антенну, т.е. в качестве выходного сигнала использовать сигналы на выходе базового блока 6 или на выходе первого смесителя 5, то это устройство может быть использовано в качестве приемного устройства. Если же исключить приемный блок и использовать только передающий блок и выходную антенну, т.е. входом устройства считать вход второго смесителя 7 или вход базового блока 6, то в этом случае устройство может быть использовано только для передачи сигналов.

Литература 1. С. А. Вакин, Л.Н.Шустов. "Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки". - Москва, "Советское радио", 1968 г., стр. 317.

2. Л.Уоллер. "Разработка нового авиационного электронного оборудования". - "Электроника", 1986 г., т. 59, N 10(743), стр. 3, 4.

3. В.А.Левин, Г.А.Норкин. "Радиотехнические системы фильтрации с возвратным гетеродинированием". - Москва, "Советское радио", 1979 г., стр. 30.

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство, содержащее приемную и передающую антенны, последовательно соединенные первый смеситель, базовый блок обработки сигналов и второй смеситель, а также гетеродин, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные третий смеситель и первый фильтр СВЧ, включенные между выходом приемной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенные второй фильтр СВЧ и четвертый смеситель, включенные между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, а также первый дополнительный высокочастотный гетеродин, выход которого соединен с гетеродинным входом первого смесителя через введенные последовательно соединенные пятый смеситель и третий фильтр СВЧ и гетеродинным входом третьего смесителя через введенные последовательно соединенные шестой смеситель и четвертый фильтр СВЧ, второй дополнительный высокочастотный гетородин, выход которого соединен с гетеродинным входом второго смесителя через введенные последовательно соединенные седьмой смеситель и пятый фильтр СВЧ и гетеродинным входом четвертого смесителя через введенные последовательно соединенные восьмой смеситель и шестой фильтр СВЧ, при этом третий, четвертый, пятый и шестой фильтры СВЧ выполнены соответственно в виде фильтров разностной, суммарной, разностной и суммарной частот или соответственно в виде фильтров суммарной, разностной, суммарной и разностной частот, а выход гетеродина подсоединен к гетеродинным входам пятого, шестого, седьмого и восьмого смесителей.

2. Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство, содержащее приемную и передающую антенны, последовательно соединенные первый смеситель, базовый блок обработки сигналов и второй смеситель, а также гетеродин, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные третий смеситель и первый фильтр СВЧ, включенные между выходом приемной антенны и входом первого смесителя, последовательно соединенные второй фильтр СВЧ и четвертый смеситель, включенные между выходом второго смесителя и входом передающей антенны, первый и второй высокочастотные гетеродины, последовательно соединенные пятый смеситель, первый делитель мощности и третий фильтр СВЧ, включенный между выходом первого дополнительного высокочастотного гетеродина и гетеродинным входом первого смесителя, четвертый фильтр СВЧ, включенный между вторым выходом первого делителя мощности и гетеродинным входом третьего смесителя, последовательно соединенные шестой смеситель, второй делитель мощности и пятый фильтр СВЧ, включенные между выходом второго дополнительного высокочастотного гетеродина и гетеродинным входом второго смесителя, и шестой фильтр СВЧ, включенный между вторым выходом второго делителя мощности и гетеродинным входом четвертого смесителя, при этом третий, четвертый, пятый и шестой фильтры СВЧ выполнены соответственно в виде фильтров разностной, суммарной, разностной и суммарной частот или соответственно в виде фильтров суммарной, разностной, суммарной и разностной частот, а выход гетеродина подсоединен к гетеродинным входам пятого и шестого смесителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2