Двоичный фазовый модулятор субтгц-диапазона частот

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения двоичного фазоманипулированного сигнала с низким уровнем фазовых шумов и высокой скорости передачи. Такой результат достигается тем, что фазовый модулятор содержит делитель мощности, на который подается несущий сигнал с частотой 100-900 ГГц, первый выход делителя мощности соединен с первым входом первого амплитудного модулятора, а второй выход делителя соединен последовательно с пассивной линией задержки и первым входом второго амплитудного модулятора, причем выход первого модулятора соединен с первым входом квазиоптического моста, выход второго модулятора соединен со вторым входом моста. Фазомодулированный сигнал получается на первом выходе квазиоптического моста, при этом при прохождении со второго входа квазиоптического моста на его первый выход промежуточный сигнал получает дополнительный сдвиг фазы на 90°. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к системам связи, и может быть использовано для передачи данных в субТГц-диапазоне частот.

Одним из ключевых компонентов канала передачи данных является модулятор, который кодирует цифровую информацию путем изменения характеристики несущего сигнала. Для использования в телекоммуникационной сфере предпочтительна фазовая модуляция. Изменение фазы сигнала наиболее трудная задача, значит, фазовых помех от окружающей среды будет меньше - и меньше ошибок при передаче информации. Такой подход позволяет приблизиться к теоретическому пределу скорости передачи при разработке соответствующих устройств.

СубТГц-диапазон частот до недавнего времени был мало освоен, и хотя разработано большое количество техник и лабораторных экземпляров, позволяющих производить модуляцию в данном диапазоне, практически применимые фазовые манипуляторы этого диапазона отсутствуют.

Важным параметром является то, на какой частоте действительно производится модуляция. К прямой модуляции относятся техники и устройства, производящие модуляцию на самих субТГц-частотах. К непрямым относятся те случаи, когда модуляция производится на частотах выше или ниже с последующим преобразованием в субТГц-диапазон частот. Разработка устройств непрямого модулирования вызвана тем, что в оптическом (более высоком) и радио (более низком) диапазонах методы и устройства для модулирования лучше проработаны и имеют лучшие характеристики по стабильности, мощности, шумам. В основном преобладает подход понижения частоты с оптического диапазона в субТГц, так как это вносит меньше шумов, чем повышение частоты.

Из уровня техники известно техническое решение, описанное в заявке US 20210328841, «Millimeter wave transmitter)), публ. 21.10.2021 г., МПК H04L 27/20, H03F 3/245. Предлагаемый фазовый модулятор QPSK работает в диапазоне 30-300 ГГц. Однако в описанном устройстве используются усилители и умножители частоты. Эти элементы вносят большое количество фазовых шумов в конечный фазомодулированный сигнал.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является фазовый модулятор, описанный в патенте US 9298024 «Semiconductor Mach-Zender modulator and method to drive the same», публ. 29.03.2016, МПК G02F 1/035; G02F 1/225. Он содержит делитель мощности, в котором оптический луч разделяется на два луча. В каждом плече имеется по блоку модуляции, при этом в одном плече расположен блок сдвига фазы. Сигналы из обоих плеч попадают в сумматор, на выходе которого получают фазомодулированный сигнал. При этом на оба блока модуляции подаются цифровые данные из одного источника, но перед подачей на один из блоков модуляции цифровые данные проходят через логический инвертор. Предлагаемое устройство работает в оптическом диапазоне длин волн, поэтому многие элементы модулятора выполнены на основе оптоволокна. Полученный фазомодулированный сигнал передается в оптическом диапазоне. Соответственно основные недостатки устройства - невозможность передачи сигнала в свободном пространстве при наличии дождя, снега, тумана, дыма.

Задачей, на решение которой направлено предполагаемое изобретение, является создание простой конструкции фазового модулятора субТГц-диапазона частот, работающего на уровне мощности от 10 мВт до 1 МВт, позволяющего получить двоичный фазоманипулированный сигнал с низким уровнем фазовых шумов и передать его с высокой скоростью.

Технический результат в разрабатываемом устройстве достигается за счет того, что оно содержит делитель мощности, на который подается несущий сигнал, первый выход делителя мощности соединен с первым входом первого блока модуляции, а второй выход делителя соединен последовательно с блоком сдвига фазы и первым входом второго блока модуляции. Причем выход первого блока модуляции соединен с первым входом сумматора, выход второго блока модуляции соединен со вторым входом сумматора, а фазомодулированный сигнал получается на выходе сумматора. При этом на вторые входы обоих блоков модуляции подаются цифровые данные из одного источника, но перед подачей на один из блоков модуляции цифровые данные проходят через логический инвертор. Новым в разрабатываемом устройстве является то, что несущий сигнал представляет собой СВЧ-сигнал с частотой 100-900 ГГц, каждый блок модуляции представляет собой амплитудный модулятор с волноводными входом и выходом. Блок сдвига фазы выполнен в виде пассивной линии задержки, обеспечивающей сдвиг фазы на 90°, сумматор выполнен в виде квазиоптического моста, причем фазомодулированный сигнал снимается с первого выхода квазиоптического моста. При прохождении со второго входа квазиоптического моста на его первый выход промежуточный сигнал получает дополнительный сдвиг фазы на 90°, причем второй выход квазиоптического моста соединен с поглотителем нежелательного сигнала, а все СВЧ-сигналы между блоками передаются с помощью волноводов основного сечения.

В частном случае реализации разрабатываемого устройства целесообразно в качестве амплитудных модуляторов использовать амплитудные модуляторы резонаторного типа.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 показана схема разработанного устройства.

На фиг. 2 показан принцип работы квазиоптического моста.

На фиг. 3 схематично показан амплитудный модулятор резонаторного типа.

Фазовый модулятор субТГц-диапазона частот, представленный на фиг. 1, содержит делитель мощности 1, несущий сигнал на который подается с источника 2 СВЧ-сигнала, пассивную линию задержки 3, первый амплитудный модулятор 4 и второй амплитудный модулятор 5, а также квазиоптический мост 6. К первому выходу квазиоптического моста 6, где получен фазоманипулированный сигнал, подключена антенна 7, а ко второму выходу квазиоптического моста 6 подключен поглотитель 8. Источник цифровых сигналов 9 подключен к второму входу первого амплитудного модулятора 4 напрямую, а к второму входу второго амплитудного модулятора 5 через логический инвертор 10.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом.

Источник 2 субТГц-диапазона частот излучает несущий сигнал, который подают на делитель мощности 1, что обеспечивает когерентность сигналов в каждом плече на выходе делителя мощности 1. В первом плече тракта сигнал с первого выхода делителя мощности 1 подают на первый вход первого амплитудного модулятора 4, а со второго выхода делителя мощности 1 сигнал через пассивную линию задержки 3 подают на первый вход второго амплитудного модулятора 5. Каждый амплитудный модулятор имеет первый вход и выход, выполненные в виде волноводов, а пассивная линия задержки 3 обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 90°. Цифровые данные с источника цифровых сигналов 9 поступают на второй вход первого амплитудного модулятора 4, одновременно с этим на второй вход второго амплитудного модулятора 5 данные поступают в инвертированном виде, так как проходят через логический инвертор 10. Таким образом, в каждом из плеч происходит модуляция несущего сигнала взаимно противоположным цифровым сигналом. Затем полученные на выходах первого и второго амплитудных модуляторов 4, 5 сигналы суммируются в квазиоптическом мосте 6.

Из-за амплитудного модулирования фактически в каждый момент времени сигнал присутствует лишь на одном из входов квазиоптического моста 6 (фиг. 2), при этом на первом выходе 1 квазиоптического моста 6 получают сигнал со сдвигом фазы 0° или +180°, в зависимости от того, в каком из плеч тракта сигнал подавляется.

Подавая сигнал на первый вход 11 квазиоптического моста 6, на первом выходе 12 получают сигнал с набегом фазы 0°, а на втором выходе 13 сигнал с набегом фазы +90°. Подавая такой же сигнал на второй вход 14 квазиоптического моста 6 на первом выходе 12 получают сигнал с набегом фазы +90°, а на втором выходе 13 сигнал с набегом фазы +0°. В разработанном устройстве сигнал, поступающий на второй вход 14 квазиоптического моста 6, сначала проходит через пассивную линию задержки 3 несущего сигнала во втором плече. Таким образом, на второй вход 14 квазиоптического моста 6 сигнал поступает с набегом фазы +90°, а также в самом квазиоптическом мосте 6 добавляется набег фазы еще +90°. В итоге, на первом выходе 12 квазиоптического моста 6 получают сигнал с набегом фазы +0° (фиг. 2а), когда сигнал поступает на первый вход 11 квазиоптического моста 6 или получают сигнал с набегом фазы +180° (фиг. 2б), когда сигнал поступает на второй вход 14 квазиоптического моста 6.

Таким образом, управляя амплитудой сигналов, поступающих на первый 11 и второй 14 входы квазиоптического моста 6, можно модулировать фазу сигнала на первом выходе 12 квазиоптического моста 6. Фазомодулированный сигнал с первого выхода 12 квазиоптического моста 6 в дальнейшем может быть выведен на антенну 7 и испущен в свободное пространство. На второй выход 13 квазиоптического моста 6 поступает нежелательный сигнал, который направляется в поглотитель 8.

В качестве амплитудных модуляторов 4 и 5 в частном случае используют амплитудные модуляторы резонаторного типа (фиг. 3). На фиг. 3 схематично представлен модулятор резонаторного типа, где на волноводный первый вход 15 поступает исходный СВЧ-сигнал, из волноводного выхода 16 выходит амплитудно-модулированный сигнал, а на второй вход 17 подаются цифровые данные в виде управляющего лазерного импульса, в резонаторной камере размещена полупроводниковая пластинка 18. Такая конструкция модулятора позволяет осуществлять модуляцию сигнала с большой мощностью, а также избежать ненужных потерь, переотражений сигнала в обратном направлении и чрезмерного повышения шумов.

В конкретной реализации предлагаемого устройства в качестве источника 2 СВЧ-сигнала авторы использовали ЛОВ с частотой выходного сигнала 200÷580 ГГц и с мощностью 10 мВтЧ ÷ 1 Вт. В качестве делителя мощности 1 использован направленный волноводный ответвитель, пассивная линия задержки 3 выполнена в виде дополнительного участка волновода рассчитанной длины. Квазиоптический мост 6 (сумматор) имеет следующие параметры: рабочая частота 267 ГГц, рабочая полоса частот: не менее 800 МГц. В качестве источника цифровых сигналов 9 использован полупроводниковый лазер мощностью 20 Вт, работающий на инфракрасных длинах волн. Инвертор 10 реализован на стандартных логических схемах.

Таким образом, разработанный фазовый модулятор позволяет получать на выходе двоичный фазомодулированный сигнал в диапазоне частот 100-900 ГГц, с мощностью в диапазоне от 10 мВт до 1 МВт, при этом манипуляция осуществляется на основной частоте без использования промежуточных частот, что позволяет добиться снижения шумов и высокой скорости передачи информации.

1. Фазовый модулятор, содержащий делитель мощности, на который подается несущий сигнал, первый выход делителя мощности соединен с первым входом первого блока модуляции, а второй выход делителя соединен последовательно с блоком сдвига фазы и первым входом второго блока модуляции, причем выход первого блока модуляции соединен с первым входом сумматора, выход второго блока модуляции соединен со вторым входом сумматора, а фазомодулированный сигнал получается на выходе сумматора, при этом на вторые входы обоих блоков модуляции подаются цифровые данные из одного источника, но перед подачей на один из блоков модуляции цифровые данные проходят через логический инвертор, отличающийся тем, что несущий сигнал представляет собой СВЧ-сигнал с частотой 100-900 ГГц, каждый блок модуляции представляет собой амплитудный модулятор с волноводными входом и выходом, блок сдвига фазы выполнен в виде пассивной линии задержки, обеспечивающей сдвиг фазы на 90°, сумматор выполнен в виде квазиоптического моста, причем фазомодулированный сигнал снимается с первого выхода квазиоптического моста, при этом при прохождении со второго входа квазиоптического моста на его первый выход промежуточный сигнал получает дополнительный сдвиг фазы на 90°, причем второй выход квазиоптического моста соединен с поглотителем нежелательного сигнала, а все СВЧ-сигналы между блоками передаются с помощью волноводов основного сечения.

2. Фазовый модулятор по п. 1, отличающийся тем, что все амплитудные модуляторы являются амплитудными модуляторами резонаторного типа.