ДЕТЕКТОР АМПЛИТУДНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2006 года по МПК H03D1/08 

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в радиотехнических схемах для линейного детектирования амплитудно-модулированных (AM) колебаний при проведении исследований обратного эффекта Фарадея в ферромагнитных веществах.

Широко известно в радиотехнике построение детекторов амплитудно-модулированных колебаний на основе использования элементов с нелинейными амплитудными характеристиками, например вакуумных или полупроводниковых диодов, сверхпроводящих туннельных переходов, транзисторов и др. В результате детектирования АМ-колебаний возникают электрические колебания, соответствующие модулирующему сигналу, несущему определенную информацию. Детектирование используется в радиоприемных устройствах, в телевидении, оптике и т.д. Частотное и фазовое детектирование осуществляют фактическим преобразованием этих видов колебаний в АМ-колебания с последующим их детектированием (см., напр., И.С.Гоноровский, Радиотехнические цепи и сигналы, ч.2, "Сов. радио", М., 1967, гл.4, с.123-150).

Известны многочисленные схемы детекторов AM (ЧМ, ФМ)-колебаний в радиотехнике с использованием микросхемных модулей (см., напр., Б.И.Горшков, Радиоэлектронные устройства. Справочник, "Радио и связь", М., 1985, с.202-223).

Известно также построение диодных детекторов малых сигналов с линейным детектированием (см., напр., О.Ф.Меньших, Устройство с расширенными пределами линейного детектирования. Авт. свид. СССР №154897). Такие детекторы работают при входных сигналах, не менее чем на порядок меньших по амплитуде, чем для обычных схем диодного детектирования, и они нашли практическое применение в измерительной технике (см., напр., О.Ф.Меньших, Устройство с расширенными пределами линейного детектирования. Измерительная техника, №5,1966).

Для снижения коэффициента нелинейных искажений применяют балансные схемы детектирования, подавляющие четные гармоники при соответствующей подстройке идентичности характеристик балансных цепей, в частности широко применяются схемы кольцевых модуляторов с использованием четырех последовательно включенных диодов в мостовой схеме, для работы которых, как и в синхронных детекторах, предложенных в 1934 г. Е.Г.Момотом, используется сигнал несущей частоты (включенный в одну из диагоналей указанного выше диодного моста), начальная фаза которого должна находиться в квадратуре с начальной фазой несущей АМ-колебания. Известна схема синхронного детектора на основе эффекта Холла (см., напр., О.Ф.Меньших, Многокаскадный синхронный детектор с кварцевым фильтром, основанный на эффекте Холла. Авт. свид. СССР №180646). Однако реализация принципа синхронного детектирования сталкивается со значительными трудностями, так как обеспечение синхронизма частот гетеродина и принимаемого сигнала является сложной проблемой, особенно при приеме слабых сигналов на фоне помех.

Особый класс детекторов, использующих линейные элементы с постоянными параметрами, представляют оптические "выпрямители", основанные на обратном эффекте Фарадея. Такие детекторы преобразуют АМ-колебания световых волн в индукцию магнитного поля, возникающую в прозрачных для волн света (включая и ИК-излучения) диэлектриках (см., напр., P.Pershan, V.d. Ziel, Malmstrëm, Physics of Quantum Electronics, ed. Kelley, Lax, Tannenwald, 1966, р.3; а также Phys.Rev.Lett., 15, 190 (1965) - по докладу Першана на конференции по квантовой электронике в Пуэрто-Рико, где впервые было доложено об открытии обратного эффекта Фарадея; а также О.Ф.Меньших, Светомагнитный эффект. Заявка на открытие №32-ОТ-4540 от 30.06.19, 65 г.). В катушке, намотанной на таком диэлектрическом стержне, при прохождении через него циркулярно поляризованного светового импульса, например, от излучения рубинового лазера возникал электрический импульс, форма которого повторяла огибающую светового импульса.

В качестве аналога заявляемого технического решения можно считать оптическое детектирование, известное из работы О.Ф.Меньших. Авт. свид. СССР №1371223 на "Устройство для измерения параметров диэлектриков", а также из работы О.Ф.Меньших, Патент РФ №1380476 на "Способ генерирования электрических колебаний".

Так, в устройстве по Авт. свид. СССР №1371223 использована светомагнитная ячейка из исследуемого прозрачного диэлектрического стержня с намотанной на него катушкой индуктивности, присоединенной к чувствительному измерительному индикатору, а также оптический генератор светового импульса с круговой поляризацией с коротким фронтом нарастания импульса. По характеру отклика измерительного индикатора от действия на испытываемый диэлектрический стержень светового импульса с известными параметрами судят о физических свойствах диэлектрика, в частности о его светомагнитных свойствах (постоянной обратного эффекта Фарадея).

Применительно к линейному детектированию АМ-колебаний в области радиотехнических устройств отсутствуют аналоги заявляемого технического решения.

Целью изобретения является осуществление линейного детектирования АМ-колебаний и расширение функциональных возможностей заявляемого устройства.

Заявляемое устройство - детектор амплитудно-модулированных колебаний, отличающийся тем, что выполнен на ферритовом кольце, имеющем квадратную форму сечения, на одной половине которого размещены на каждой из его граней ленточные электроды, а на другой его половине расположена обмотка соленоида, при этом АМ-колебание подано к входам первого и второго резонансных усилителей через фазосдвигающие на +45° и на -45° цепочки соответственно, выход первого резонансного усилителя подключен к одной паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, выход второго резонансного усилителя подключен к другой паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, а выходное линейно продетектированное колебание возбуждается в обмотке соленоида.

Указанная цель достигается в заявляемом техническом решении благодаря линейности связи между возникающей в ферритовом кольце магнитной индукцией, а следовательно, и э.д.с. в обмотке соленоида (в силу закона электромагнитной индукции), и возбуждающим эту индукцию вектором вращающегося электрического поля (с частотой несущих колебаний АМ-колебания), амплитуда которого однозначно связана с амплитудой модулирующих колебаний в составе АМ-колебания. Это позволяет создавать детекторы АМ-колебаний, которые основаны на совершенно ином принципе действия, который не использует ни нелинейность элементов системы, ни ее переменные параметры.

Заявляемое техническое решение понятно из представленной схемы на фиг.1, которая включает ферритовое кольцо 1 с квадратной формой сечения, на одной половине которого расположена обмотка соленоида 2, а на другой - на его боковых гранях размещены соответственно четыре ленточных электрода 3-6, при этом АМ-колебание подается на первый 7 и второй 8 резонансные усилители через фазосдвигающие на +45° и на -45° цепочки 9 и 10 соответственно, к входам которых подается АМ-колебание, выход первого резонансного усилителя 7 соединен с одной парой противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов 3 и 5, выход второго резонансного усилителя 8 соединен с другой парой противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов 4 и 6. Выходное линейно продетектированное колебание при этом возбуждается в обмотке соленоида 2. Пунктирная линия 11 показывает разделение ферритового кольца 1 на две области сосредоточения ленточных электродов 3-6 и расположения обмотки соленоида 2. Сечение кольца 1 с ленточными электродами 3-6 и обмоткой соленоида 2 показано на фиг.2. Вариант выполнения магнитопровода стержневого типа (более технологичного в изготовлении) показан на фиг.3.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

Пусть на входе детектора действует АМ-колебание вида

u(t)=U₀(1+M sin Ωt) cos ωt,

где U₀ - амплитуда колебаний, М - глубина модуляции, Ω и ω - частоты модулирующего и несущих колебаний, t - текущее время. При этом нетрудно понять, что на выходах первого 7 и второго 8 резонансных усилителей будут действовать колебания вида

u₁(t)=K₁U₀(1+M sin Ωt) cos (ωt+π/4),

u₂(t)=K₂U₀(1+M sin Ωt) cos (ωt-π/4),

которые при равенстве K₁=К₂=К коэффициентов усиления в первом 7 и втором 8 резонансных усилителях с учетом потерь в фазосдвигающих на +45° и на -45° цепочках 9 и 10 отличаются между собой только фазами колебаний несущей частоты, и разность фаз этих колебаний равна π/2. Фазосдвигающие цепочки 9 и 10 могут быть выполнены с применением взаимно расстроенных контуров относительно частоты несущих колебаний. Поскольку сечение ферритового кольца 1 выбрано квадратным, то приложение к соответствующим парам ленточных электродов 3, 5 и 4, 6, напряжений u₁(t) и u₂(t) приводит к возникновению в нем вращающегося электрического поля с частотой ω, амплитуда которого во времени изменяется по закону модулирующей функции, а именно

U_ω(t)=KU₀(1+M sin Ωt).

При заданном расстоянии d между оппозитно расположенными электродами 3, 5 и 4, 6 напряженность электрического поля в ферритовом кольце в плоскости его сечения изменяется по закону Е_ω(t)= =U_ω(t)/d, и от ее действия в диэлектрическом веществе - феррите возникают в атомно-молекулярных структурах электрические диполи, моменты которых прямо пропорциональны значениям указанной напряженности вращающегося электрического поля. Вращение электрического поля вызывает соответственно вращение электрических диполей во всем объеме диэлектрического вещества, размещенного между ленточными электродами 3-6 в ферритовом кольце 1, а это, в свою очередь, эквивалентно появлению амперовых токов для каждого из таких вращающихся диполей, что и вызывает намагничивание диэлектрического вещества в данном объеме ферритового кольца 1. По закону электромагнитной индукции величина магнитной индукции линейно связана с возбуждающим ее током (амперовым током), а величина последнего линейно связана с величиной напряженности вращающегося поля и частотой вращения последнего. Поскольку частота несущих колебаний в АМ-сигнале есть величина постоянная, то величина переменной составляющей магнитной индукции оказывается прямо пропорциопальной величине χωK U₀ M sin Ωt, где χ - постоянная обратного эффекта Фарадея для данного ферромагнитного вещества. Следовательно, в обмотке соленоида 2, магнитно связанной с ферритовым кольцом 1, по закону Био-Савара будет наводиться э.д.с, равная U_вых=k U₀ sin Ωt, где k - постоянный безразмерный множитель, и в этом сигнале будут отсутствовать какие-либо гармоники модулирующей функции, то есть детектор оказывается чисто линейным, и при этом k=f(χ,μ₀,μ,ω,n,K,M,d), где n - число витков в обмотке соленоида 2, μ₀ и μ - соответственно абсолютная и относительная магнитные проницаемости вакуума и вещества ферритового кольца 1 соответственно.

Можно предложить несколько модификаций заявляемого технического решения, например использовать трехгранный тороидальный ферритовый магнитопровод с обмоткой и тремя электродами для подключения их к трехфазному источнику АМ-сигнала. Используя ферритовые кольца с сечением не квадратной, а прямоугольной формы, можно получить вращающееся электрическое поле с соответствующей регулировкой коэффициентов усиления К₁ и К₂ в первом 7 и втором 8 резонансных усилителях, чтобы обеспечивалась одинаковая напряженность электрического поля в ферритовом кольце 1 для соответствующих пар ленточных электродов 3-6.

Следует отметить, что при действии циркулярно поляризованного (эллиптического в общем случае) электрического поля, вместо кругового, намагничивание ферритового кольца 1 также имеет место, но с меньшей величиной. Это допускает вариацию величин фазовых сдвигов в фазосдвигающих цепочках 9 и 10. Последние могут также устанавливаться непосредственно перед соответствующими парами 3,5 и 4,6 ленточных электродов, и при этом в схеме может быть использован только один резонансный усилитель.

Линейная зависимость амплитуды выходного сигнала для рассматриваемого устройства от частоты несущих колебаний ω указывает на возможность использования его в качестве частотного детектора, также имеющего линейную характеристику. Это обстоятельство положительно характеризует перспективы использования заявляемого технического решения в измерительной технике и научном эксперименте.

Заявляемое техническое решение может быть использовано в научном эксперименте в качестве дополнительного средства диагностики ферроматериалов при сравнительной оценке их восприимчивости к обратному эффекту Фарадея - принципиально новому и недостаточно исследованному физическому феномену.

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в радиотехнических схемах линейного детектирования амплитудно-модулированных (АМ) колебаний. Достигаемый технический результат - повышение линейности детектирования AM колебаний с относительно невысокой частотой несущих колебаний - до единиц мегагерц. Устройство выполнено на ферритовом кольце, имеющем квадратную форму сечения, на одной половине которого установлены на каждой из его граней ленточные электроды, а на другой его половине расположена обмотка соленоида, при этом AM колебание подано к входам первого и второго резонансных усилителей через фазосдвигающие на +45° и на -45° цепочки соответственно, выход первого резонансного усилителя подключен к одной паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, выход второго резонансного усилителя подключен к другой паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, а выходное линейно продетектированное колебание возбуждается в обмотке соленоида. 3 ил.

Детектор амплитудно-модулированных колебаний, отличающийся тем, что выполнен на ферритовом кольце, имеющем квадратную форму сечения, на одной половине которого установлены на каждой из его граней ленточные электроды, а на другой его половине расположена обмотка соленоида, при этом амплитудно-модулированное колебание подано к входам первого и второго резонансных усилителей через фазосдвигающие на +45° и на -45° цепочки соответственно, выход первого резонансного усилителя подключен к одной паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, выход второго резонансного усилителя подключен к другой паре противоположно установленных на ферритовом кольце ленточных электродов, а выходное линейно продетектированное колебание возбуждается в обмотке соленоида.