УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК H03D7/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для формирования однополосного сигнала в различных радиотехнических устройствах, а также для обратного преобразования (демодуляции) однополосного сигнала.

Известен формирователь однополосного сигнала, содержащий источник модулирующего сигнала, последовательно соединенные источник модулируемого сигнала, фазовращатель и первый перемножитель, последовательно соединенные второй перемножитель, первый вход которого соединен с выходом источника модулируемого сигнала, и сумматор, выход которого является выходом формирователя однополосного сигнала, при этом в целях расширения диапазона модулирующих сигналов при увеличении подавления нежелательной боковой полосы, уменьшения нелинейных искажений частот дополнительно введены выделитель огибающей модулирующего сигнала, сумматоры, блоки извлечения квадратного корня, перемножители, линии задержки, фазовращатели, фазорасщепители, коммутаторы, двухполупериодные выпрямители, синхронизаторы и фильтры нижних частот (а.с. СССР № 1356183, а.с. СССР № 1506506, а.с. СССР № 1644358, МПК 5 Н03С 1/52).

Формирователь обеспечивает получение однополосного сигнала на основе преобразований тригонометрических функций половинного аргумента, однако его основным недостатком является высокая сложность, связанная с применением нелинейных элементов, а также невозможность применения из-за структурной сложности в диапазонах СВЧ и для выполнения обратного преобразования, т.е. для получения модулирующего сигнала.

Существенными признаками, совпадающими с предлагаемым решением, являются:

- перемножители;

- сумматор;

- фазовращатели.

Также известен способ преобразования электрических сигналов и преобразователь для осуществления способа, в котором преобразующий элемент в виде двухполюсника выполнен из электропроводящего материала с высоким значением коэффициента Холла, включая пленочную технологию, на который подаются, по меньшей мере, два входных сигнала (Заявка на изобретение № 2000124758, Россия, МПК 7 H03D 3/00, H03D 7/00).

Преобразование обеспечивается за счет взаимодействия полей этих сигналов в материале преобразующего элемента, при этом преобразованный сигнал выделяют фильтром промежуточной частоты или детектированием.

Недостатками указанных способа и устройства являются:

- низкая эффективность преобразования, определяемая сложными процессами взаимодействия сигналов в объеме преобразующего элемента и зависящая от объема этого элемента, от соотношения его линейных размеров и длины волны преобразуемых сигналов, от характера протекания тока через объем материала,

- возникновение большого числа комбинационных сигналов, связанных с модулем (абсолютным значением) преобразующего и преобразуемого сигнала, что позволяет реализовать их перемножение только в двух квадрантах. Это также ухудшает линейность преобразования в СВЧ-диапазоне.

Существенными признаками, совпадающими с предлагаемым решением, являются:

- преобразующий элемент из материала с высоким значением коэффициента Холла.

Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования радиотехнических сигналов, повышение линейности преобразования в широкой полосе частот СВЧ-диапазона, снижение структурной сложности преобразователя путем унификации его структурной схемы для прямого и обратного преобразования.

Техническим результатом изобретения является:

- повышение эффективности преобразования радиотехнических сигналов;

- повышение линейности преобразования в широкой полосе частот, включая СВЧ-диапазон;

- расширение частотного диапазона преобразования сигналов;

- повышение надежности устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для преобразования сигналов, у которого вход преобразуемого сигнала образован первым фазовращателем и первым входом первого перемножителя, вход преобразующего сигнала образован вторым фазовращателем и вторым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выходы первого и второго фазовращателя соответственно соединены со входами второго перемножителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого является также выходом преобразователя сигналов, каждый из перемножителей содержит формирователь магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости преобразующего элемента из материала с высоким значением коэффициента Холла, а первый вход перемножителя является входом формирователя магнитного поля, второй вход перемножителя является первым контактом преобразующего элемента, при этом выход перемножителя образован другим контактом преобразующего элемента, расположенным на стороне преобразующего элемента, смежной со стороной первого контакта. Как вариант фазовращатель выполнен на основе интегратора. Как вариант фазовращатель выполнен на четвертьволновом отрезке передающей линии. Как вариант формирователь магнитного поля выполнен в виде плоской катушки индуктивности. Как вариант формирователь магнитного поля выполнен в виде полуволнового вибратора, щелевого волноводного излучателя или петли, а преобразующий элемент расположен на удалении от формирователя магнитного поля не более одной восьмой длины волны преобразуемого сигнала. Как вариант вход преобразующего сигнала выполнен на Т-образном разветвителе, одно плечо которого отличается от другого на четверть длины волны преобразующего сигнала, а сумматор выполнен на симметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала. Как вариант сумматор выполнен на несимметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала, но отличаются на половину длины волны преобразующего сигнала.

Причинно-следственная связь между существенными признаками изобретения и техническим результатом состоит в следующем.

Математической базой работы преобразователя при прямом преобразовании являются выражения

где ω - частота преобразующего (модулируемого) сигнала,

Ω - частота преобразуемого (модулирующего) сигнала.

Результатом преобразования является однополосный амплитудно-модулированный сигнал. При обратном преобразовании (демодуляции) выражение (2) принимает вид:

В то же время операция умножения осуществляется с использованием прямой аналогии на основе эффекта Холла:

где U - напряжение на выходе перемножителя,

R - коэффициент Холла для материала преобразующего элемента,

i - величина тока преобразующего сигнала,

d - толщина пластинки материала преобразующего материала

В=k₁·j - величина индукции магнитного поля, создаваемого током j преобразуемого сигнала и линейно зависящая от этого тока,

k₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции формирователя магнитного поля.

Таким образом, эффективность преобразования, в отличие от прототипа, никак не связана с эффектами энергообмена или взаимодействия сигналов в материале преобразующего элемента и может быть установлена на необходимом уровне известными конструктивными решениями. Более того, из (4) следует, величина выходного сигнала может быть существенно больше величины преобразующего сигнала. Это весьма важно для СВЧ-диапазона, где получение значительных мощностей генерируемых сигналов представляет определенную трудность, т.е. устройство для преобразования сигналов может быть одновременно и усилителем за счет отбора мощности от преобразуемого сигнала, который, как правило, имеет значительно более низкий диапазон и в котором вопросы мощности сигнала решаются легче.

Используемые в предложении математические и физические принципы не содержат частотных ограничений. Для частотного диапазона, выбранного исходя из технических требований к устройству для преобразования сигналов, известными инженерными решениями находятся параметры формирователя магнитного поля, фазовращателей, сумматора и линий передачи сигнала. Так, например, для радиотехнических сигналов в диапазоне до десятков МГц формирователь магнитного поля выполняется в виде катушки индуктивности, фазовращатель - в виде интегратора на операционном усилителе, сумматор - на основе решающего усилителя или резистивного сумматора токов, а линии передачи сигналов - обычные проводники. Для более высокого частотного диапазона применяются методы конструирования СВЧ-техники.

Повышение линейности преобразования в широкой полосе частот, включая СВЧ-диапазон, обеспечивается за счет построения устройства для преобразования сигналов без функциональных блоков с нелинейными (квадратичными, логарифмическими, извлечения корня и т.п.) характеристиками. Преобразующий элемент устройства также имеет линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ). Так для СВЧ-диапазона характерно построение преобразователей на полупроводниковых элементах с N-образной ВАХ, что позволяет осуществить преобразование только в узкой полосе частот, для которой выполняется условие существования этой характеристики. Нелинейность ВАХ порождает большое число гармоник, которые во вторичных цепях преобразователей СВЧ-диапазона повышает уровень шумов. В предлагаемом устройстве уровень шумов определяется исключительно флуктационными шумами неосновных носителей заряда в материале преобразующего элемента.

Повышение надежности устройства связано со всеми свойствами, перечисленными выше. Прежде всего, это малое количество функциональных элементов, их однотипность, возможность применения технологии полосковых линий в СВЧ-диапазоне, возможность реализации некоторых функциональных элементов интегрировано с элементами линий передачи сигналов, например, фазовращатель на 90° выполняется как четвертьволновой отрезок передающей линии.

Графическое изображение предлагаемого решения показано на фиг.1. На фиг.2 показан вариант исполнения преобразователя сигналов для СВЧ-диапазона.

Устройство для преобразования сигналов (фиг.1) состоит из первого фазовращателя 1, первого перемножителя 2, второго фазовращателя 3, второго перемножителя 4 и сумматора 5, при этом вход преобразуемого сигнала образован первым фазовращателем 1 и первым входом первого перемножителя 2, вход преобразующего сигнала образован вторым фазовращателем 3 и вторым входом первого перемножителя 2, выход которого соединен с первым входом сумматора 5, а выходы первого фазовращателя 1 и второго фазовращателя 3 соответственно соединены с входами второго перемножителя 4, выход которого соединен со вторым входом сумматора 5, выход которого образует выход преобразователя сигналов. Каждый из перемножителей 2 и 4 содержит формирователь 6 магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости преобразующего элемента 7 прямоугольной формы из материала с высоким значением коэффициента Холла. Первый вход перемножителей 2 и 4 является входом формирователя 6 магнитного поля, второй вход перемножителей 2 и 4 является первым контактом преобразующего элемента 7, при этом выход перемножителей 2 и 4 образован вторым контактом преобразующего элемента 7, расположенным на стороне преобразующего элемента 7, смежной со стороной первого контакта. Для согласования сигнальных линий к контактам, противоположным первому и второму контактам преобразующего элемента 7, подключены согласующие сопротивления 8.

В варианте для СВЧ-диапазона (фиг.2) устройство для преобразования сигналов состоит из Т-образного разветвителя 9, одно плечо которого отличается от другого на четверть длины волны преобразующего сигнала, первого перемножителя 2, второго фазовращателя, выполненного на интеграторе 10, второго перемножителя 4 и симметричного Т-образного тройника 11, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала, при этом вход преобразуемого сигнала образован входом разветвителя 9, вход преобразующего сигнала образован интегратором 10 и вторым входом первого перемножителя 2, выход которого соединен с первым плечом тройника 11, а выходы длинного плеча разветвителя 9 и интегратора 10 соответственно соединены с входами второго перемножителя 4, выход которого соединен со вторым плечом тройника 11, выход которого образует выход преобразователя сигналов. Каждый из перемножителей 2 и 4 содержит формирователь 6 магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости преобразующего элемента 7 прямоугольной формы из материала с высоким значением коэффициента Холла. Первый вход перемножителей 2 и 4 является входом формирователя 6 магнитного поля, второй вход перемножителей 2 и 4 является первым контактом преобразующего элемента 7, при этом выход перемножителей 2 и 4 образован вторым контактом преобразующего элемента 7, расположенным на стороне преобразующего элемента 7, смежной со стороной первого контакта. Для согласования сигнальных линий к контакту, противоположному первому контакту преобразующего элемента 7, подключен замкнутый полуволновой отрезок 12 с поглотителем 13, к контакту, противоположному второму контакту преобразующего элемента 7, подключен разомкнутый четвертьволновой отрезок 14. Как вариант сумматор 11 выполнен на несимметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразуюшего сигнала, но отличаются на половину длины волны преобразующего сигнала. Как вариант формирователь 6 магнитного поля выполнен в виде полуволнового вибратора, или щелевого волноводного излучателя, или петли, а преобразующий элемент 7 расположен на удалении от формирователя магнитного поля не более одной восьмой длины волны преобразуемого сигнала.

Устройство работает следующим образом. На вход преобразуемого сигнала (фиг.1, фиг.2, показано стрелкой А) подается косинусоидальный ток частоты Ω, который поступает на формирователь 6 магнитного поля первого перемножителя 2 и первый фазовращатель 1, осуществляющий фазовый сдвиг на 90 градусов, что соответствует преобразованию косинусоидального тока в синусоидальный. С выхода фазовращателя 1 синусоидальный ток преобразуемого сигнала поступает на формирователь 6 магнитного поля второго перемножителя 4. На вход преобразующего сигнала (фиг.1, фиг.2, показано стрелкой Б) подается косинусоидальный ток частоты ω, который поступает на второй вход первого перемножителя 2, образуемый первым контактом преобразующего элемента 7, и на второй фазовращатель 3, осуществляющий фазовый сдвиг на 90 градусов, что соответствует преобразованию косинусоидального тока в синусоидальный. С выхода фазовращателя 3 синусоидальный ток преобразующего сигнала поступает на первый вход второго перемножителя 4, образуемый первым контактом преобразующего элемента 7. В преобразующих элементах 7, обладающих высоким значением коэффициента Холла, происходит взаимодействие тока преобразующего сигнала с магнитным полем, создаваемым током преобразуемого сигнала в соответствии с выражением (4). В результате этого со второго контакта преобразующего элемента 7 первого перемножителя 2 и второго перемножителя 4 возникают выходные токи, поступающие на первый и второй входы сумматора 5 (фиг.1, фиг.2, показаны стрелками), соответствующие первому и второму слагаемым левой части выражения (1) или (2). На выходе сумматора 5 получаем правую часть выражения (2). Для получения на выходе сумматора 5 правой части выражения (1) сигнал с выхода второго перемножителя 4 необходимо подать на инвертирующий вход сумматора 5.

Для выполнения устройства в варианте для СВЧ (фиг.2), например на полосковых линиях, фазовращатель 3 интегрируется в одно из плеч Т-образного тройника 9 в виде четвертьволнового отрезка для частоты преобразующего сигнала, сумматор 5 выполняется в виде Т-образного тройника 11, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала, а для получения преобразования по выражению (1) сумматор 5 выполняется на несимметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала, но отличаются на половину длины волны преобразующего сигнала. Это необходимо для предотвращения проникновения сигнала из одного плеча тройника 11 во встречное плечо. В целях обеспечения фазовой линейности преобразуемого сигнала фазовращатель 1 выполняется в виде интегратора 10. Движение сигналов показано стрелками. Формирователь магнитного поля 6 для достаточно высоких частот из конструктивных соображений может быть выполнен в виде полуволнового вибратора, у которого в ближней зоне излучения (<1/8 длины волны преобразуемого сигнала) преобладает магнитная составляющая электромагнитного поля.

Использование: в области радиотехники и может быть использовано для формирования однополосного сигнала в различных радиотехнических устройствах, а также для обратного преобразования (демодуляции) однополосного сигнала. Техническим результатом является повышение эффективности преобразования радиотехнических сигналов и повышение линейности преобразования в широкой полосе частот СВЧ-диапазона. В устройстве для преобразования сигналов каждый из перемножителей содержит формирователь магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости преобразующего элемента из материала, с высоким значением коэффициента Холла, а первый вход перемножителя является входом формирователя магнитного поля, второй вход перемножителя является первым контактом преобразующего элемента, при этом выход перемножителя образован другим контактом преобразующего элемента, расположенным на стороне преобразующего элемента, смежной со стороной первого контакта. Как вариант, формирователь магнитного поля выполнен в виде полуволнового вибратора, или щелевого волноводного излучателя, или петли, а преобразующий элемент расположен на удалении от формирователя магнитного поля не более одной восьмой длины волны преобразуемого сигнала. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для преобразования сигналов, содержащее вход преобразуемого сигнала, образованный первым фазовращателем и первым входом первого перемножителя, вход преобразующего сигнала, образованный вторым фазовращателем и вторым входом первого перемножителя, выход которого соединен с первым входом сумматора, а выходы первого и второго фазовращателя соответственно соединены со входами второго перемножителя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход которого является также выходом преобразователя сигналов, отличающееся тем, что каждый из перемножителей содержит формирователь магнитного поля, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости преобразующего элемента из материала с высоким значением коэффициента Холла, а первый вход перемножителя является входом формирователя магнитного поля, второй вход перемножителя является первым контактом преобразующего элемента, при этом выход перемножителя образован другим контактом преобразующего элемента, расположенным на стороне преобразующего элемента, смежной со стороной первого контакта.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращатель выполнен на основе интегратора.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращатель выполнен на основе дифференциатора.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фазовращатель выполнен на четвертьволновом отрезке передающей линии.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь магнитного поля выполнен в виде плоской катушки индуктивности.6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь магнитного поля выполнен в виде полуволнового вибратора или щелевого волноводного излучателя или петли, а преобразующий элемент расположен на удалении от формирователя магнитного поля не более одной восьмой длины волны преобразуемого сигнала.7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вход преобразующего сигнала выполнен на Т-образном разветвителе, одно плечо которого отличается от другого на четверть длины волны преобразующего сигнала, а сумматор выполнен на симметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сумматор выполнен на несимметричном Т-образном тройнике, встречные плечи которого кратны нечетному числу четверти длины волны преобразующего сигнала, но отличаются на половину длины волны преобразующего сигнала.