СПОСОБ АМПЛИТУДНОЙ И ФАЗОВОЙ МОДУЛЯЦИИ СВЧ-СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭТОГО СПОСОБА Российский патент 2004 года по МПК H01P1/15 H01P5/107 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам амплитудной и фазовой модуляции СВЧ диапазона, и может быть использовано для формирования сигналов сложной формы (например, возбуждения ТЕМ-волны) и модуляции в различных трактах СВЧ - измерительных, передающих, приемных и для реализации новых видов РЛС.

Известны способы амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала (Бова Н.Т. Устройства СВЧ. - Киев: Техника, 1973, с.77-94, 129-134. Харкевич А.А. Спектры и анализ. - М.: Связь; 1972. СВЧ-устройства на полупроводниковых диодах / Под. ред. И.В.Мальского. - М.: Советское радио, 1969. Гвоздев В.И. Объемные интегральные схемы. - М.: Наука, 1985. Гассонов А.Г. Твердотельные устройства СВЧ. - М.: Радио и связь, 1988).

Недостатками известных способов являются:

- большие (до 5-6°) фазовые ошибки в сравнительно узком, 8-10% от f₀ диапазона рабочих частот для фазовой модуляции;

- незначительная глубина амплитудной модуляции на одном регулирующем элементе порядка 20-25 дБ в полосе частот 8-10% от f₀ для амплитудной модуляции;

- невозможность осуществления амплитудной и фазовой модуляции в одном элементе;

- достаточно большие вносимые потери при фазовой модуляции.

Использование известных способов и устройств для формирования СВЧ-сигнала, при которых осуществляется одновременная амплитудная и фазовая модуляция, приводят к существенному снижению тактико-технических параметров аппаратуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ фазовой модуляции СВЧ-сигнала (а.с. SU №580603, МПК Н 01 Р 01/185, 07.06.1976), основанный на дискретном переключении напряжения смещения двух управляющих полупроводниковых приборов фазосдвигающей цепи, которая реализована в виде двух резонаторов, связанных между собой С- и S-образными петлями связи, при дискретном изменении направления силовых линий электромагнитного поля в петлях связи возбуждаемого резонатора с изменением сдвига фазы на 180°.

В известном техническом решении осуществлено искусственное создание стоячих волн в резонаторах и возбуждение одного из них путем использования петель связи С- и S-вида.

Такое использование фазосдвигающей цепи существенно сужает полосу пропускания и увеличивает размеры устройства, а также вносит паразитную амплитудную модуляцию за счет различия потерь в режиме 0 и π (при переключении фазы).

Известны волноводные регулирующие устройства СВЧ (а.с. SU №535635, МПК Н 01 Р 01/15, 1969, Коммутирующий модуль; а.с. SU №1052113, МПК Н 01 Р 01/15, 1976, СВЧ-выключатель; патент US №3478284, НКИ 333-98, 1969), содержащие прямоугольный волновод, щелевую диафрагму, управляемые полупроводниковые диоды, закрепленные внутри резонансной щели с образованием структуры nipin или pinip, к центральной схеме которой подключено устройство управления.

Недостатком этих технических решений является то, что управляемые полупроводниковые диоды устанавливаются внутри резонансной щели в области максимальной напряженности поля, а это приводит к возрастанию прямых потерь и сужению полосы пропускания, а закрепление управляющих полупроводниковых диодов внутри щели ослабляет прочность элемента в особенности при климатических и механических воздействиях.

Известны устройства для возбуждения ТЕМ-волны (патент US №4453142, МПК Н 01 Р 05/107, 1984, Устройства для возбуждения ТЕМ-волны; заявка ЕР №0094973, МПК Н 01 Р 05/107, 1983, Устройства для возбуждения ТЕМ-волны; заявка JP №51645/81, МПК Н 01 Р 05/107, Волноводно-микропосковый переход; Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ, 1975, вып. 2, с.76-80, Будаков Б.Н. Измерительные устройства для СВЧ интегральных схем).

Недостатками известных решений являются:

- низкая точность установки фазы в широкой полосе частот;

- при переключении полупроводниковых диодов наблюдается изменение вносимых потерь из-за различных параметров отпирания полупроводниковых диодов, установленных в резонансной щели с максимальным напряжением электрического поля Е.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является СВЧ фазовый манипулятор (А.с. SU №1152055, МПК Н 01 Р 01/185, 26.12.1983), содержащий входной и выходной прямоугольные волноводы, двухканальный делитель мощности, в выходных плечах которого включены первый и второй полупроводниковые диоды, причем первая широкая стенка выходного волновода совмещена с узкой стенкой входного волновода, двухканальный делитель мощности выполнен в виде металлической перегородки, соединенной узкими стенками входного волновода и расположенной на одинаковом расстоянии от его широких стенок, первый и второй полупроводниковые диоды размещены в плоскости поперечного сечения входного волновода, при этом их положительные электроды соединены с противоположными широкими стенками входного волновода, а к отрицательным электродам подключены проводники, проходящие через отверстия в совмещенных стенках входного и выходного волноводов и соединенные с второй широкой стенкой выходного волновода.

Недостатком известного изобретения является узкая полоса частот из-за предложенной небалансной схемы решения, кроме того, использование большого количества элементов в цепи возбуждения, что вызывает естественно рассогласование и ошибки, а также громоздкая конструкция, а использование большой длины проводников, в сочетании со сложностью установки полупроводниковых диодов, приводит к значительным ошибкам.

Технический результат предлагаемого решения заключается в осуществлении одновременной фазовой и амплитудной модуляции на одном элементе управления, исключении фазовых ошибок и уменьшении вносимых потерь.

Технический результат достигается тем, что способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала основан на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н₁₀, в котором возбуждают ТЕМ-волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180° путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.

Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала содержит входной прямоугольный волновод, щелевую диафрагму с резонансными узлами связи и управляющими полупроводниковыми приборами, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи, причем щелевая диафрагма установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, размещенной в согласующем волноводе длиной l~(0,25-0,5)λ_g и выходном прямоугольном волноводе, центральный проводник симметричной полосковой линии подключен к центру щелевой диафрагмы, разделяющего резонансные узлы связи симметрично по разные стороны от него, причем широкая стенка выходного волновода скачкообразно уменьшена от согласующего волновода до величины , где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, λ_o, λ_g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно, δ - толщина подложки, s - диэлектрическая проницаемость подложки.

Причем в резонансных узлах связи щелевой диафрагмы выполнены углубления, в которых закреплены диэлектрические пластины с контактными площадками, при этом боковые контактные площадки связаны с однополярными электродами управляющих полупроводниковых приборов и подключены к корпусу щелевой диафрагмы, а центральная соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов и связана с устройством управления.

Сущность изобретения заключается в осуществлении фазовой модуляции за счет естественного различия структуры электромагнитных полей входного прямоугольного волновода с волной Н₁₀ и симметричной полосковой линии с волной ТЕМ. Волна Н₁₀ входного прямоугольного волновода имеет поле Е, ориентированное строго от одной широкой стенки волновода до другой, в то время как поле Е ТЕМ-волны симметричной полосковой линии над центральным проводником и под ним имеет противоположную ориентацию, таким образом, пропуская волну Н₁₀ из входного волновода через резонансные узлы связи (в которых для получения на управляющих полупроводниковых приборах двух резко отличающихся значений импеданса одно соответствует состоянию пропускания, а другое - состоянию запирания), расположенные над и под центральным проводником симметричной полосковой линии, получают высокоточный фазовый сдвиг 0-π.

Точность фазового сдвига, как и разность потерь в двух фазовых состояниях, определяется практически только обеспечением соблюдения симметрии резонансных узлов связи и полосковой линии.

Для отсечки волны Н₁₀ на выходе устройства широкая стенка выходного волновода скачкообразно изменяется до величины , при этом между щелевой диафрагмой и выходным волноводом расположен согласующий волновод длиной l~(0,25-0,5)λ_g с симметричной полосковой линией, где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, λ_о, λ_g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно, δ - толщина подложки, ε - диэлектрическая проницаемость подложки.

Симметричная полосковая линия может быть выполнена как на диэлектрической подложке, так и без нее.

В согласующем волноводе с симметричной полосковой линией распространяется как волна Н₁₀, так и ТЕМ-волна, при этом после скачкообразного сужения волновода ТЕМ-волна проходит практически без изменения, а волна Н₁₀ полностью отражается, согласовывая часть электромагнитной волны, отраженной от щелевой диафрагмы, причем согласование и потери устройства определяются выбором толщины щелевой диафрагмы, размерами резонансных щелей, типом полупроводниковых приборов и выбором длины согласующего волновода.

Кроме того, для снижения активных потерь управляющие полупроводниковые приборы вынесены из резонансных узлов связи щелевой диафрагмы (область максимальной напряженности электромагнитного поля) и помещены в углубления, в которых закреплены.

Сравнение предлагаемого решения с известными техническими решениями (Приложение №1) показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые позволяют успешно реализовать поставленную цель.

Сущность предлагаемого технического решения будет понятна из следующего описания и приложенного к нему графического материала.

На фиг.1а показана схема формирования фазовой манипуляции, а на фиг.1б - схема формирования амплитудной модуляции. На фиг.2 изображено устройство реализации данного способа.

Способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала основан на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н₁₀, возбуждают ТЕМ-волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180° путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.

Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала содержит входной 1 и выходной 2 прямоугольные волноводы, щелевую диафрагму 4 с резонансными узлами связи 5 и управляющими полупроводниковыми приборами 6^1,2,3,4, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи 5, причем щелевая диафрагма установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода 1 и симметричной полосковой линии 3 выходного прямоугольного волновода 2, центральный проводник 7 симметричной полосковой линии 3 подключен к центру щелевой диафрагмы 4, разделяющего резонансные узлы связи 5 симметрично по разные стороны от него, причем на расстоянии l~(0,25-0,5)λ_g от щелевой диафрагмы широкая стенка 8 выходного волновода 2 скачкообразно уменьшена до величины , где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, λ_о, λ_g - длина волны в свободном пространстве и в выходном волноводе соответственно, δ - толщина подложки, ε - диэлектрическая проницаемость подложки.

Причем в резонансных узлах связи 5 щелевой диафрагмы 4 выполнены углубления 12, в которых закреплены диэлектрические пластины 9 с контактными площадками 10^1,2,3, при этом боковые контактные площадки 10^1,3 связаны с однополдрными электродами управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 и подключены к корпусу щелевой диафрагмы 4, а центральная 10² соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 и связана с устройством управления 11.

Работа устройства амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, реализующего способ, осуществляется следующим образом.

Падающая волна типа Н₁₀, вектор Е которой направлен вверх, распространяется по входному прямоугольному волноводу 1 и возбуждает резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4, в котором на управляющие полупроводниковые приборы 6^{1,2и 3,4} подано напряжение смещения в противофазе. На фиг.1 показано: индекс Х соответствует открытым управляющим полупроводниковым приборам 6^1,2, O - закрытым управляющим полупроводниковым приборам 6^3,4 в первом полупериоде сигнала, Х и O - соответственно их изменение во втором полупериоде. В первом полупериоде резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 возбуждает СВЧ-волну типа ТЕМ в симметричной полосковой линии 3 - с вектором Е, соответствующим образом ориентированным (векторы, выполненные сплошными линиями), во втором полупериоде после перемещения знаков напряжения (обозначенный как Х и O), направление Е составляющих в симметричной полосковой линии 3 изменяется на противоположное (векторы, выполненные разрывными линиями). В этот момент фаза СВЧ-сигнала изменяется на 180°.

Пример выполнения амплитудной модуляции проиллюстрирован на фиг.1б. Падающая СВЧ-волна по входному прямоугольному волноводу 1 (волна типа Н₁₀) направляется в резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4. В первый полупериод на резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 подается напряжение и возбуждается волна ТЕМ в симметричной полосковой линии 3, как и описанный ранее режим фазовой модуляции. В следующем временном отрезке на управляющие полупроводниковые приборы 6^1,2,3,4 подается одинаковое напряжение - режим O-O. В этот момент времени резонансные узлы связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4 возбуждают в симметричной полосковой линии 3 парциальные волны 7 - разрывные линии. Волна в таком виде в симметричной полосковой линии 3 распространяться не может и на выход не поступает за счет внесения в тракт больших затуханий, таким образом, реализуется режим амплитудной модуляции с максимальным затуханием.

Режим совмещения амплитудной и фазовой модуляции аналогичен векторной схеме, изображенной на фиг.1а, и отличается величиной напряжения положительного сигнала (отрицательного смещения) в закрытом (не пропускающем волну СВЧ) резонансном узле связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4. Уменьшение напряжения и соответственно тока (J_см) открывает и резонансный узел связи 5^1,2 щелевой диафрагмы 4, возбуждающий парциальные волны в противофазе. Происходит частичное отражение (в зависимости от J_см) СВЧ-волны, соответствующее промежуточному значению α_зi переключения значений на управляющих полупроводниковых приборах при сохранении абсолютных величин напряжения смещения, изменяющих фазу на 180° при установленном значении α_зi. Изменяя во времени плавно или дискретно величину J_см от нуля до тока насыщения, реализуют совмещение значений фазовой и амплитудной модуляции. Причем в режиме амплитудной модуляции может осуществляться как плавное изменение процесса затухания, так и дискретное.

Совокупность свойств изобретения проиллюстрирована в таблице, которая составлена из расчета прямого включения управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2, - при положительном смещении на управляющих полупроводниковых приборах 6^1,2 течет ток J_см, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2 при этом падает до единиц Ом, а резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 с этими управляющими полупроводниковыми приборами 6^3,4 СВЧ-волну не пропускает. При отрицательном смещении сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2 велико, и волна проходит через резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 на выход с начальными потерями и взаимным фазовым сдвигом. В таблице приведены следующие обозначения:

+ - течет ток положительного смешения, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 диода минимально;

- - подано обратное смещение, сопротивление управляющих полупроводниковых приборов 6^1,2,3,4 максимально;

+ - ток положительного смещения регулируется от нуля до J_max.

α_n - режим начальных потерь СВЧ;

α_з - режим максимально вносимых затуханий;

α_зi - режим регулярно вносимых затуханий;

ϕ - режим регулярной фазы.

На управляющие полупроводниковые приборы 6^1,2 подается отрицательное напряжение смещения, а на управляющие полупроводниковые приборы 6^3,4 - положительное напряжение смещения, в этот момент СВЧ-волна проходит на симметричную полосковую линию 6 выходного прямоугольного волновода 2, где резонансный узел связи 5¹ щелевой диафрагмы 4 и возбуждает в ней волну с начальной ориентацией вектора напряженности электрического поля Е, однако при изменении знака напряжения смещения на управляющие полупроводниковые приборы 6^1,2и3,4 волна в выходном прямоугольном волноводе 2 на симметричной полосковой линии 3 имеет противоположную ориентацию вектора напряженности электрического поля Е, таким образом, осуществляется изменение фазы распространения волны на 180°.

Изобретение обеспечивает новые функциональные возможности по реализации как режимов амплитудной и фазовой модуляции, так и совместного выполнения амплитудно-фазовой модуляции, обеспечивая следующие достоинства:

- высокая точность реализации режима фазовой модуляции, вытекающая на чрезвычайно малых (Δϕ<1,0-1,5°) фазовых ошибок и практически отсутствием паразитной амплитудной модуляции (Δα<0,05-0,1 дБ);

- глубокое подавление несущей в широком диапазоне частот модуляции (до 30 МГц). Изменение подавления несущей в режиме фазовой модуляции составляет 40 дБ и выше;

- возможность реализации более высокого (до 35-40 дБ) значения вносимого затухания.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, позволяет существенно упростить его по сравнению с прототипом, обеспечивает малые потери в СВЧ-тракте (α_n<0,3-0,5 дБ), значительно расширяет полосу пропускания, а также обеспечивает высокое быстродействие.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-диапазона, и может быть использовано для формирования сигналов сложной формы (например, возбуждения ТЕМ волны) и модуляции в различных трактах СВЧ - измерительных, передающих, приемных и для реализации новых видов РЛС. Технический результат предлагаемого решения заключается в осуществлении одновременной фазовой и амплитудной модуляции на одном элементе управления, исключении фазовых ошибок и уменьшении вносимых потерь. В способе амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, основанном на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н10, в котором возбуждают ТЕМ-волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180° путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные. Для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов. Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала содержит входной прямоугольный волновод, щелевую диафрагму с резонансными узлами связи и управляющими полупроводниковыми приборами, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи. Щелевая диафрагма установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, размещенной в согласующем волноводе длиной l~(0,25-0,5)λ_g и выходном прямоугольном волноводе. Центральный проводник симметричной полосковой линии подключен к центру щелевой диафрагмы, разделяющему резонансные узлы связи симметрично по разные стороны от него, причем широкая стенка выходного волновода скачкообразно уменьшена от согласующего волновода до величины где a, b -широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно, λ_о, λ_g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно, δ - толщина подложки, ε - диэлектрическая проницаемость подложки. В резонансных узлах связи щелевой диафрагмы выполнены углубления, в которых закреплены диэлектрические пластины с контактными площадками, при этом боковые контактные площадки связаны с однополярными электродами управляющих полупроводниковых приборов и подключены к корпусу щелевой диафрагмы, а центральная соединена со вторыми входами управляющих полупроводниковых приборов и связана с устройством управления. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил.

1. Способ амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, основанный на дискретном переключении напряжения смещения на двух группах управляющих полупроводниковых приборов при прохождении через них из прямоугольного волновода СВЧ-волны Н10, отличающийся тем, что возбуждают ТЕМ волну над или под центральным проводником симметричной полосковой линии выходного волновода, используя естественное различие структуры электромагнитных полей прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, для изменения сдвига фазы на 180° путем переключения напряжения смещения разных знаков на двух группах управляющих полупроводниковых приборов дискретно на противоположные, а для амплитудной модуляции плавно или дискретно изменяют величину напряжения смещения на одной из групп управляющих полупроводниковых приборов.2. Устройство амплитудной и фазовой модуляции СВЧ-сигнала, содержащее входной прямоугольный волновод, управляющие полупроводниковые приборы, отличающееся тем, что щелевая диафрагма с резонансными узлами связи и управляющими полупроводниковыми приборами, размещенными симметрично по обеим сторонам резонансных узлов связи, установлена на стыке соосно расположенных прямоугольного волновода и симметричной полосковой линии, размещенной в согласующем волноводе длиной l~(0,25-0,5)λ_g и выходном прямоугольном волноводе, центральный проводник симметричной полосковой линии подключен к центру щелевой диафрагмы, разделяющему резонансные узлы связи симметрично по разные стороны от него, причем широкая стенка выходного волновода скачкообразно уменьшена от согласующего волновода до величины

,

где a, b - широкая и узкая стенки выходного волновода соответственно;

λ_о, λ_g - длина волны в свободном пространстве и в согласующем волноводе соответственно;

δ - толщина подложки;

ε - диэлектрическая проницаемость подложки.