СПОСОБ УСИЛЕНИЯ И ДЕМОДУЛЯЦИИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК H03J3/00 H03D3/00 H03F3/38 

Изобретения относятся к областям радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы и могут быть использованы для создания многофункциональных устройств усиления амплитуды и демодуляции частотно-модулированных сигналов с увеличенным квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики при произвольных заданных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи, нагрузки и параметрах резистивного четырехполюсника.

Известен способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации внутренней обратной связи в нелинейном элементе путем использования в качестве него двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. - М.: «Сов. Радио», 1974, с. 137-150], выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском отрицательного сопротивления с сопротивлением остальной части усилителя. Входную часть выполняют из параллельного колебательного контура. Выходную часть усилителя выполняют из фильтра нижних частот (ФНЧ), разделительной емкости и низкочастотной нагрузки [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио»,1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Если средняя частота входного частотно-модулированного сигнала (ЧМС) совпадает со средней частотой левого склона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) колебательного контура, то ЧМС преобразуется в амплитудно-модулированный ЧМС (АЧМС). Нелинейный элемент разрушает (расщепляет) спектр АЧМС на высокочастотные и низкочастотные составляющие, ФНЧ выделяет низкочастотные составляющие, а остальные подавляет. Разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. На низкочастотную нагрузку поступает низкочастотный сигнал, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС. В результате одновременно обеспечивается усиление и демодуляция ЧМС.

Известно устройство усиления и частотной модуляции, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине падающего участка вольтамперной характеристики двухполюсного нелинейного элемента с отрицательным дифференциальным сопротивлением [Радиоприемные устройства. Под общей редакцией В.И. Сифорова. - М.: «Сов. Радио», 1974, с. 137-150], входной цепи из параллельного колебательного контура и реактивного четырехполюсника, при этом параметры контура, двухполюсного нелинейного элемента и четырехполюсника выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио»., 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316]. Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на падающем участке его вольт-амперной характеристики. Благодаря наличию внутренней обратной связи в двухполюсном нелинейном элементе на участке с падающей вольт-амперной характеристикой возникает отрицательное дифференциальное сопротивление, которое в силу согласования с помощью реактивного четырехполюсника компенсирует потери в во всей цепи с заданным допуском. Благодаря этому входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы падающего участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую. НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое суммирование функций усиления и частотной демодуляции. Если устройство эффективно в режиме усиления, то оно не эффективно в режиме частотной модуляции, и наоборот, если устройство эффективно в режиме частотной модуляции, то оно не эффективно в режиме усиления. Поэтому в общем случае возникают нежелательные частотные или нелинейные искажения в одном из режимов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, организации цепи прямой передачи (ДНИ) и цепи внешней обратной связи (ОС), выполнении условий усиления путем согласования с заданным допуском ОС и ЦПП с остальной части усилителя. Если средняя частота входного ЧМС совпадает со средней частотой левого склона АЧХ, а выходом остальной части усилителя является фильтр нижних частот и низкочастотная нагрузка, то одновременно с усилением произойдет преобразование ЧМС в АЧМС, амплитуда которого будет изменяться по закону изменения частоты входного ЧМС, а также амплитудная демодуляция АЧМС с формированием на низкочастотной нагрузке НЧ сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, состоящее из источника постоянного напряжения, устанавливающего рабочую точку на середине квазилинейного участка проходной вольтамперной характеристики транзистора, цепи прямой передачи в виде первого четырехполюсника для согласования выходного электрода транзистора и нагрузки, входной цепи в виде параллельного колебательного контура, RC-цепи внешней положительной обратной связи (в общем виде - второго четырехполюсника для согласования управляющего электрода транзистора и нагрузки) между нагрузкой и управляющим электродом транзистора, выходной цепи в виде ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, при этом параметры контура, цепи прямой передачи, цепи обратной связи и транзистора выбраны из условия совпадения средней частоты левого склона АЧХ всего устройства и средней частоты входного ЧМС и одновременного усиления амплитуды ЧМС [Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: «Советское радио», 1977, с. 190-193, 290-293, 311-316].

Принцип действия этого устройства состоит в следующем. При включении источника постоянного напряжения (тока) рабочая точка нелинейного элемента устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт-амперной характеристики. Благодаря наличию внешней обратной связи, согласования с помощью реактивных четырехполюсников выходного электрода с нагрузкой и нагрузки с управляющим электродом потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона колебательного контура, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку. Происходит демодуляция ЧМС. Недостатком способа и устройства является простое совмещение функций усиления и частотной демодуляции. Общим недостатком всех известных способов и устройств является то, что отсутствуют технические решения, способствующие обеспечению режима усиления и режима частотной демодуляции с помощью одного радиотехнического устройства. Если в режиме частотной демодуляции достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то в режиме усиления эти искажения будут максимальными, и наоборот, если в режиме усиления достигнут минимум нелинейных и частотных искажений, то в режиме частотной демодуляции эти искажения будут максимальными. Особенно остро возникает этот вопрос при проектировании устройств усиления и частотной демодуляции в диапазонах ВЧ и УВЧ, на которых, кроме того, обязательно нужно учитывать реактивные составляющие параметров нелинейных элементов. В настоящее время классическая теория радиотехнических цепей это не учитывает. Кроме того, частотную демодуляцию и усиление можно обеспечить при наличии резистивных четырехполюсников, параметры которых не зависят от частоты в достаточно большом диапазоне частот, что при определенных условиях способствует увеличению квазилинейного участка частотной демодуляционной характеристики, обеспечению заданного коэффициента усиления и динамического диапазона. Это обеспечивает минимум нелинейных и частотных искажений. Основой для данного изобретения является определение указанных условий.

Техническим результатом изобретения является усиление и частотная демодуляция высокочастотного сигнала с помощью устройства с увеличенным динамическим диапазоном и квазилинейным участком частотной демодуляционной характеристики благодаря наличию резистивного четырехполюсника и согласования с помощью двух реактивных двухполюсников, включаемых последовательно сопротивлениям нагрузки и источника входного сигнала. Возможность использования различных вариантов включения трехполюсного нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника и различных видов обратной связи расширяет возможности физической реализуемости этого результата.

1. Указанный результат достигается тем, что в известном способе усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанном на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкостью и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, дополнительно четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, последовательно сопротивлению источника частотно - модулированного сигнала включают первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включают второй реактивный согласующий двухполюсник, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотных зависимостей сопротивлений первого х₁ и второго х₂ реактивных согласующих двухполюсников в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r₀, r_н, x₀, x_н - заданные зависимости действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки от частоты в заданной полосе частот; r₁₁, х₁₁, r₁₂, х₁₂, r₂₁, х_21, r₂₂, х₂₂ - заданные суммарные зависимости действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной.

2. Указанный результат достигается тем, что в известном устройстве усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненном из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, дополнительно четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включен первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включен второй реактивный согласующий двухполюсник, первый и второй реактивные согласующие двухполюсники выполнены в виде параллельно соединенных параллельного L_1k, C_1k и последовательного L_2k, C_2k контуров, параметры которых выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:

где

- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r_0i, x_0i, r_нi, x_нi - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на четырех заданных частотах; r_11i, x_11i, r_12i, x_12i, r_21i, x_21i, r_22i, x_22i - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на четырех заданных частотах; m_i, φ_i - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на четырех заданных частотах для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной; ω_i=2πf_i; f_i заданные частоты; i=1, 2, 3, 4 - номера заданных частот; k=1, 2 - индекс, характеризующий оптимальные значения сопротивлений и параметров первого и второго реактивных согласующих двухполюсников соответственно.

На фиг. 1 показана схема устройства усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов (прототип), реализующего способ-прототип.

На фиг. 2 показана структурная схема предлагаемого устройства., реализующая предлагаемый способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов.

На фиг. 3. приведена схема реактивных двухполюсников, реализующих оптимальные значения сопротивлений первого и второго реактивных согласующих двухполюсников предлагаемого устройства (фиг. 2).

Устройство-прототип (фиг. 1), реализующее способ-прототип, содержит цепь прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента VT-1, подключенного к источнику постоянного напряжения-2, согласующего устройства СУ-3 в виде реактивного четырехполюсника. К цепи прямой передачи (ДНИ) подключена цепь обратной связи ОС-4. К выходу узла из ЦПП и ОС как единого целого подключены ФНЧ-5, разделительная емкость С_P-6 и низкочастотная нагрузка R_н-7. Между источником ЧМС с сопротивлением z₀-8 и входом ЦПП и ОС параллельно включен параллельный колебательный контур КК-9 на элементах L, R, C.

Принцип действия устройства усиления и демодуляции ЧМС (прототипа), реализующего способ-прототип, состоит в следующем.

При включении источника постоянного напряжения (тока)-2 рабочая точка нелинейного элемента-1 устанавливается на начальном участке его проходной вольт-амперной характеристики (режим работы с отсечкой, позволяющий разрушать спектр сигнала). Благодаря согласованию с помощью СУ-3 выходного электрода с ОС-4 и ОС-4 с управляющим электродом в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для устранения возможности возбуждения устройства. Благодаря этому входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона КК-9, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка левого склона АЧХ, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Нелинейный элемент-1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость С_P-6 устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку - 7. Происходит демодуляция ЧМС.

Недостатки способа-прототипа и устройства его реализации описаны выше. Предлагаемое устройство (фиг. 2), реализующее предлагаемый способ 1, содержит трехполюсный нелинейный элемент-1 с известными элементами матрицы сопротивлений $$z_{11i}^{VT}=r_{11i}^{VT}+j{x}_{11i}^{VT}$$ , $$z_{12i}^{VT}=r_{12i}^{VT}+j{x}_{12i}^{VT}$$ , $$z_{21i}^{VT}=r_{21i}^{VT}+j{x}_{21i}^{VT}$$ , $$z_{22i}^{VT}=r_{22i}^{VT}+j{x}_{22i}^{VT}$$ на заданных частотах, подключенный к источнику постоянного напряжения - 2 и последовательно соединенный по высокой частоте с цепью внешней ОС (входы соединены последовательно и выходы - последовательно), выполненной в виде произвольного четырехполюсника 10, сформированного в общем случае на двухполюсниках с комплексными сопротивлениями. Последовательно источнику входного ЧМС с сопротивлением z_0i=r_0i+jx_0i-8 на заданных частотах подключен первый согласующий реактивный двухполюсник 11 с сопротивлением на заданных частотах. Источник ЧМС с последовательно подключенными сопротивлениями 8 и 11 подключены к входу узла из нелинейного элемента 1 и четырехполюсника 10. К выходу этого узла подключен произвольный резистивный четырехполюсник РЧ-12, между выходом РЧ-12 и ФНЧ-5 параллельно включена высокочастотная нагрузка 13 с заданными сопротивлениями z_нi=r_нi+jx_нi на заданных частотах с последовательно подключенным сопротивлением x_2i второго согласующего реактивного двухполюсника 14 на заданных частотах. Произвольный четырехполюсник 10 тоже характеризуется известными значениями элементов матрицы сопротивлений $$z_{11i}^{OC}=r_{11i}^{OC}+j{x}_{11i}^{OC}$$ , $$z_{12i}^{OC}=r_{12i}^{OC}+j{x}_{12i}^{OC}$$ , $$z_{21i}^{OC}=r_{21i}^{OC}+j{x}_{21i}^{OC}$$ , $$z_{22i}^{OC}=r_{22i}^{OC}+j{x}_{22i}^{OC}$$ на заданных частотах (i=1, 2… - номер частоты). Четырехполюсник - 12 может быть выполнен в виде произвольного соединения произвольного количества резистивных двухполюсников. Этот четырехполюсник описывается известными элементами классической матрицы передачи a, b, c, d. Синтез усилителя и частотного демодулятора (выбор оптимальных частотных зависимостей сопротивлений первого х₁-11 и второго х₂-14 реактивных согласующих двухполюсников) осуществлен по критерию обеспечения заданной крутизны левого склона АЧХ в заданной полосе частот. Реализация этих частотных характеристик осуществлена путем выбора схем формирования этих двухполюсников в виде параллельно соединенных параллельного L_1k, С_1k и последовательного L_2k, C_2k контуров (фиг. 3) и значений параметров их элементов по критерию совпадения их частотных характеристик и оптимальных на четырех заданных частотах. В результате реализуется увеличенный квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон.

Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.

При включении источника постоянного напряжения (тока) 2 рабочая точка нелинейного элемента 1 устанавливается на середине квазилинейного участка его проходной вольт-амперной характеристики. Благодаря согласованию с помощью первого 11 и второго 14 согласующих реактивных двухполюсников ЦПП и ОС как единого целого с остальной частью устройства в цепи возникает отрицательное сопротивление и потери во всей цепи компенсируются с определенным допуском, необходимым для усиления амплитуды и устранения возможности возбуждения устройства, а также формируется левый склон АЧХ с заданной крутизной в заданной полосе частот. Происходит увеличение квазилинейного участка левого склона АЧХ. Благодаря этому входной ЧМС со средней частотой, равной средней частоте левого склона АЧХ, усиливается до уровня, при котором амплитуда выходит за пределы квазилинейного участка вольтамперной характеристики, а входной ЧМС преобразуется в АЧМС. Происходит увеличение амплитуды АЧМС на квазилинейном участке левого склона АЧХ, что равносильно увеличению динамического диапазона. Нелинейный элемент 1 расщепляет (разрушает) спектр АЧМС на составляющие, ФНЧ-5 выделяет НЧ составляющую, а остальные подавляет, разделительная емкость Ср-6 устраняет постоянную составляющую, НЧ составляющая, амплитуда которой изменяется по закону изменения частоты входного ЧМС, поступает на низкочастотную нагрузку 7. Происходит демодуляция ЧМС, частотные и нелинейные искажения уменьшаются. Коэффициент детектирования увеличивается в число раз, равное коэффициенту усиления, - модулю передаточной функции высокочастотной части (до фильтра нижних частот) предлагаемого устройства.

Докажем возможность реализации указанных свойств.

Введем обозначения зависимостей сопротивления источника сигнала и первого согласующего реактивного двухполюсника z₀₁=r₀+jx₀₁ (х₀₁=х₀+х₁), нагрузки и второго согласующего реактивного двухполюсника z_н2=r_н+jx_н2 (х_н2=х_н+х₂) и зависимостей элементов матрицы сопротивлений нелинейного элемента (VT) и элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи (ОС) от частоты. При последовательном соединении четырехполюсников VT и ОС элементы их матриц сопротивлений складываются. Суммарные зависимости элементов матриц сопротивлений от частоты: z₁₁=r₁₁+jx₁₁, z₁₂=r₁₂+jx₁₂, z₂₁=r₂₁+jx₂₁, z₂₂=r₂₂+jx₂₂. Параметры нелинейного элемента зависят, кроме того, от амплитуды низкочастотного управляющего сигнала. Для простоты аргументы (амплитуда и частота) опущены. Требуется определить частотные зависимости сопротивлений х₁, х₂ (аппроксимирующие функции) первого и второго реактивных согласующих двухполюсников, оптимальные по критерию обеспечения условий формирования левого склона АЧХ и усиления амплитуды ЧМС в режиме частотной демодуляции и усиления.

Нелинейный элемент и цепь ОС как единое целое описываются матрицей сопротивлений и соответствующей классической матрицей передачи:

где Резистивный четырехполюсник (РЧ) характеризуется матрицей передачи:

где a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи.

Общая нормированная классическая матрица передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора получается путем перемножения матриц передачи (1) и (2) (перемножение матриц производится в порядке следования соответствующих четырехполюсников) с учетом условий нормировки:

Используя известную связь элементов матрицы рассеяния с элементами классической матрицы передачи (Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971. с. 34-36) и матрицу передачи (3), с учетом условий нормировки получим выражение для коэффициента передачи высокочастотной части усилителя и частотного демодулятора в режиме усиления:

Можно показать, что коэффициент передачи (4) связан с физически реализуемой передаточной функцией простым соотношением

Поэтому

Пусть требуется обеспечить требуемые зависимости модуля т (АЧХ) и фазы φ (ФЧХ) передаточной функции усилителя и частотного модулятора от частоты:

Подставим (5) в (6). После разделения между собой мнимых и действительных частей получим систему двух уравнений, эквивалентных (6):

где

Решение (7) имеет вид оптимальных по критерию (6) частотных зависимостей:

Х=В₂D₁-D₂B₁; Y=A₂D₁-D₂A₁+B₂C₁-C₂B₁; Z=A₂C₁-С₂A₁.

Оптимальные характеристики (8), обеспечивающие заданную крутизну и линейность левого склона АЧХ во всем диапазоне частот, реализовать невозможно. Здесь предлагается реализация квазиоптимальных характеристик, приблизительно совпадающих с оптимальными характеристиками в определенной полосе частот. Такая реализация может быть осуществлена различными способами, например с помощью метода интерполяции. Для этого необходимо сформировать двухполюсники с сопротивлениями х₁, х₂ из не менее чем N (числа частот интерполяции) реактивных элементов, найти выражения для их сопротивлений, приравнять их оптимальным значениям сопротивлений двухполюсников на заданных частотах, определенным по формулам (8), и решить сформированную таким образом систему N уравнений относительно N выбранных параметров реактивных элементов. Значения параметров остальных элементов могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений, например из условия физической реализуемости.

В соответствии с этим алгоритмом получены математические выражения для определения значений параметров реактивного двухполюсника в виде параллельно соединенных параллельного L_1k, С_1k и последовательного L_2k, C_2k контуров (фиг. 3), оптимальных по критерию обеспечения заданных величин модулей и фаз передаточной функции (6) на четырех частотах ω_i=2πf_i.

Исходная система уравнений:

Решение:

где

Обобщенный индекс к введен для определения параметров первого и второго согласующих двухполюсников. При k=1 имеем параметры для первого двухполюсника, при k=2 - для второго, i=1, 2, 3, 4 - номера частот. Индекс i можно ввести и для других величин, которые зависят от частоты явным образом.

Реализация оптимальных аппроксимаций частотных характеристик х₁, х₂ (8) с помощью характеристик (9), которые при параметрах (10) являются квазиоптимальными характеристиками, обеспечивает в окрестности этих четырех частот заданную крутизну левого склона АЧХ (m) в интересах усиления и преобразования ЧМС в АЧМС в режиме усиления и частотной демодуляции. Если частоты f₁, f₂, f₃, f₄ располагаются в порядке возрастания, то величины m₁, m₂; m₃, m₄ надо задавать возрастающими и с заданной крутизной. При разумном выборе положений задаваемых частот f₁, f₂, f₃, f₄ относительно друг друга квазилинейный склон АЧХ в окрестности этих четырех частот будет незначительно отличаться от линейного при их полном совпадении на четырех частотах. Если рабочую точку устанавливать на середине квазилинейного участка проходной вольт-амперной характеристики нелинейного элемента, то описанный алгоритм позволяет синтезировать устройство, функционирующее только в режиме усиления (без демодуляции). В этом случае выходной сигнал необходимо снимать с высокочастотной нагрузки - 13, АЧХ (m) задавать плоской (величины m₁=m₂=m₃=т₄), а входной сигнал может быть произвольным, а не только ЧМС.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (использование в качестве цепи внешней обратной связи произвольного четырехполюсника, последовательно подключенного к трехполюсному нелинейному элементу, включение трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи как единого узла между источником сигнала и входом резистивного четырехполюсника, включение высокочастотной нагрузки между выходом резистивного четырехполюсника и низкочастотной частью, выполненной из ФНЧ, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки (фиг. 2), подключение первого и второго согласующих реактивных двухполюсников последовательно сопротивлениям источника сигнала и высокочастотной нагрузки соответственно, выбор частотных характеристик первого и второго согласующих реактивных двухполюсников х₁ и х₂, формирование их схем в указанном виде (фиг. 3), выбор значений их параметров) обеспечивает одновременно усиление, преобразование ЧМС в АЧМС на левом склоне АЧХ, демодуляцию АЧМС, что эквивалентно частотной демодуляции.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью трехполюсные нелинейные элементы (транзисторы или лампы), реактивные элементы, сформированные в заявленные схемы реактивных двухполюсников (фиг. 3). Значения параметров индуктивностей и емкостей этих схем могут быть однозначно определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в обеспечении усиления и частотной демодуляции высокочастотного сигнала за счет выбора схемы и значений параметров реактивных элементов первого и второго согласующих реактивных двухполюсников по критерию формирования левого склона АЧХ с заданными крутизной и коэффициентом усиления, что унифицирует устройство, увеличивает квазилинейный участок частотной демодуляционной характеристики и динамический диапазон в режиме усиления и частотной демодуляции.

Изобретение относится к области радиосвязи. Технический результат изобретения заключается в возможности усиления и частотной демодуляции с увеличенным линейным участком частотной демодуляционной характеристики и увеличенным динамическим диапазоном при произвольных характеристиках нелинейного элемента, цепи внешней обратной связи, нагрузки и параметрах резистивного четырехполюсника. Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов отличается тем, что четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, который с цепью обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, основанный на использовании энергии источника постоянного напряжения, взаимодействии частотно-модулированного сигнала с устройством, которое выполняют из цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, выполнении условий согласования цепи прямой передачи с цепью внешней обратной связи, условий согласования цепи внешней обратной связи с управляющим электродом трехполюсного нелинейного элемента, условий согласования цепи прямой передачи и цепи внешней обратной связи с остальной частью устройства с заданным допуском, преобразовании частотно-модулированного сигнала в амплитудно-частотно-модулированный сигнал на левом склоне амплитудно-частотной характеристики, расщеплении спектра амплитудно-частотно-модулированного сигнала на низкочастотные и высокочастотные составляющие с помощью трехполюсного нелинейного элемента, выделении низкочастотной составляющей с помощью фильтра нижних частот, устранении постоянной составляющей с помощью разделительной емкостью и получении на низкочастотной нагрузке низкочастотного сигнала, амплитуда которого изменяется по закону изменения частоты частотно-модулированного сигнала, отличающийся тем, что четырехполюсник выполняют резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи используют произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включают между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включают высокочастотную нагрузку в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включают первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включают второй реактивный согласующий двухполюсник, условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции выполняют за счет выбора частотных зависимостей сопротивлений первого х₁ и второго х₂ реактивных согласующих двухполюсников в соответствии со следующими математическими выражениями:

где Х=B₂D₁-D₂B₁; Y=A₂D₁-D₂A₁+B₂C₁-C₂B₁; Z=A₂C₁-C₂A₁;

- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r₀, r_н, x₀, х_н - заданные зависимости действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки от частоты в заданной полосе частот; r₁₁,x₁₁, r₁₂,x₁₂, r₂₁,х₂₁, r₂₂,х₂₂ - заданные суммарные зависимости действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента от частоты в заданной полосе частот и соответствующих зависимостей действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи от частоты в заданной полосе частот; m, φ - заданные зависимости модуля и фазы передаточной функции устройства от частоты для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной.

2. Устройство усиления и демодуляции частотно-модулированных сигналов, выполненное из источника постоянного напряжения, цепи прямой передачи в виде трехполюсного нелинейного элемента, четырехполюсника, цепи внешней обратной связи, фильтра нижних частот, разделительной емкости и низкочастотной нагрузки, отличающееся тем, что четырехполюсник выполнен резистивным, в качестве цепи внешней обратной связи использован произвольный комплексный четырехполюсник, последовательно подключенный к трехполюсному нелинейному элементу, трехполюсный нелинейный элемент и цепь обратной связи как единый узел каскадно включены между источником частотно-модулированного сигнала с комплексным сопротивлением и входом резистивного четырехполюсника, между выходом резистивного четырехполюсника и фильтром нижних частот включена высокочастотная нагрузка в виде двухполюсника с комплексным сопротивлением, последовательно сопротивлению источника частотно-модулированного сигнала включен первый реактивный согласующий двухполюсник, последовательно сопротивлению высокочастотной нагрузки включен второй реактивный согласующий двухполюсник, первый и второй реактивные согласующие двухполюсники выполнены в виде параллельно соединенных параллельного L_1k,C_1k и последовательного L_2k,C_2k контуров, параметры которых выбраны из условия согласования по критерию одновременного обеспечения усиления и частотной демодуляции в соответствии со следующими математическими выражениями:

где


- заданные отношения соответствующих элементов классической матрицы передачи резистивного четырехполюсника a, b, c, d; r_0i, x_0i, r_нi, x_нi - заданные значения действительных и мнимых составляющих сопротивлений источника входного частотно-модулированного сигнала и высокочастотной нагрузки на четырех заданных частотах; r_11i,x_11i, r_12i,x_12i, r_21i,x_21i, r_22i,x_22i - заданные суммарные значения действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений трехполюсного нелинейного элемента и соответствующих значений действительных и мнимых составляющих элементов матрицы сопротивлений цепи внешней обратной связи на четырех заданных частотах; m_i, φ_i - заданные значения модулей и фаз передаточной функции устройства на четырех заданных частотах для формирования левого склона АЧХ с заданной крутизной; ω_i=2πf_i; f_i - заданные частоты; i=1,2,3,4 - номера заданных частот; k=1,2 - индекс, характеризующий оптимальные значения сопротивлений и параметров первого и второго реактивных согласующих двухполюсников соответственно.