Измеритель частоты СВЧ сигналов на линиях задержки с отрицательным временем групповой задержки Российский патент 2020 года по МПК G01R23/00 G01R23/04 

Известно устройство измерителя частоты СВЧ сигналов [1]. Измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя, набора линий задержки, фазовых корреляторов, аналого-цифровых преобразователей, вычислительного устройства и устройства управления.

Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки, минимальное и максимальное время задержки которых для достижения заданной точности и диапазона рабочих частот должны отличаться в несколько раз. Еще одним недостатком указанного устройства является невысокая чувствительность устройства, ограничиваемая погонными потерями в длинных линиях задержки.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому изобретению является устройство измерителя частоты СВЧ сигналов [2]. Измеритель частоты СВЧ сигналов состоит из входного широкополосного усилителя-ограничителя, входного полосового СВЧ фильтра, набора линий задержки, фазовых корреляторов, вычислительного устройства.

Недостатком данного устройства является громоздкость, вызванная необходимостью применения нескольких линий задержки, минимальное и максимальное время задержки которых, для достижения заданной точности и диапазона рабочих частот должны отличаться в несколько раз. Еще одним недостатком указанного устройства является невысокая чувствительность устройства, ограничиваемая погонными потерями в длинных линиях задержки.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров и массы, снижение погрешности измерения частоты.

Целью изобретения является снижение громоздкости устройства и снижение погрешности измерения частоты за счет применения линий задержки с отрицательным временем групповой задержки.

Заявленный результат достигается тем, что в устройство, состоящее из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, синфазного делителя СВЧ мощности, N линий задержки, N фазовых корреляторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, дополнительно введены N линий задержки с отрицательным временем групповой задержки, при этом входы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к выходам синфазного делителя СВЧ мощности, а выходы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к входам соответствующих фазовых корреляторов.

Сущность изобретения поясняется чертежом на фигуре 1. На фиг.1 представлена структурная схема измерителя частоты СВЧ сигналов с линиями задержки с отрицательным временем групповой задержки. Измеритель частоты СВЧ сигналов содержит: входной усилитель-ограничитель 1, полосно-пропускающий СВЧ фильтр 2, делитель 3 СВЧ мощности, линии задержки 4.1…4.N, линии задержки 5.1…5.N с отрицательным временем групповой задержки, фазовые корреляторы 6.1…6.N, вычислительное устройство 7.

На фиг.2 представлена дискриминационная характеристика фазовых корреляторов.

Для удобства рассмотрим работу широкополосного измерителя частоты, функциональная схема которого представлена на фигуре 1. Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов работает следующим образом. Входной СВЧ сигнал с частотой ω₀ поступает через усилитель-ограничитель 1 на полосно-пропускающий фильтр 2, ограничивающий входную полосу частот. Далее сигнал поступает на синфазный делитель 3 СВЧ мощности, где происходит деление мощности входного сигнала на N равных частей. Число линий задержки 4.1…4.N, линий задержки 5.1…5.N N с отрицательным временем групповой задержки, фазовых корреляторов 6.1…6.N определяется рабочей полосой устройства и требуемой точностью измерения частоты. Предположим, что линии задержки 4.1,4.2,…,4.N имеют время задержки равное τ_1P, τ_1P,.. τ_NP. Предположим также, что линии задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки имеют время задержки равное -τ_1M, -τ_2M,..- τ_NM. Фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходах линий задержки 4.1,4.2,…,4.N составят: θ₁=ω₀τ_1P, θ₂=ω₀τ_2P,…, θ_n=ω₀τ_NP. В то же время, фазовые набеги, приобретаемые сигналами на выходах линий задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки составят: ϕ₁=−ω₀τ_1M, ϕ₂=−ω₀τ_2M,…, ϕ_n=−ω₀τ_NM. Сигналы с выхода линий задержки 4.1,4.2...4.N и линий задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки поступают на входы фазовых корреляторов 6.1,6.2,…,6.N. Фазовые корреляторы 6.1,6.2,…,6.N формируют следующие дискриминационные характеристики, вид которых показан на фигуре 2 (DFM₁ – 1, DFM₂ – 2,…, DFM_n – 3):

$$DF{M}_1=A_1(1+\cos \omega ({\tau }_{1P}+{\tau }_{1M}))$$ (1)

$$DF{M}_2=A_2(1+\cos \omega ({\tau }_{2P}+{\tau }_{2M}))$$ (2)

$$DF{M}_3=A_3(1+\cos \omega ({\tau }_{3P}+{\tau }_{3M}))$$ (3)

где A₁, A₂,…, A_n – коэффициенты пропорциональности;

τ_1P, τ_2P,...τ_NP – время задержки линий задержки 4.1,4.2...4.N;

τ_1M, τ_2M,...τ_NM – время задержки линий задержки 5.1,5.2...5.N с отрицательным временем групповой задержки;

ω – круговая частота.

Коррелятор 6.1 имеет в рабочем диапазоне частот (2-3 ГГц, фиг. 2) однозначную, но относительно пологую корреляционную характеристику, по этой причине коррелятор 6.1 служит для грубой оценки частоты входного сигнала. В то же время фазовые корреляторы 6.2,…,6.N имеют неоднозначные корреляционные функции, крутизна которых выше по сравнению с крутизной корреляционной характеристики коррелятора 6.1. Корреляторы 6.2,6.3,…6.N служат для повышения точности измерения частоты входного сигнала. Вычислительное устройство 7 предназначено определения частоты входного сигнала по напряжениям от фазовых корреляторов 6.1,6.2,…,6.N.

Из выражений 1 – 3 видно, что введение линий задержки с отрицательным временем групповой задержки перед фазовыми корреляторами увеличивает аргумент функции cos, что равносильно увеличению длин (времени задержки) линий задержки 4.1,4.2,…,4.N. Таким образом, длина линий 4.1,4.2,…,4.N задержки и габаритные размеры устройства, могут быть уменьшены. Линии задержки 5.1,5.2,…,5.N с отрицательным временем групповой задержки могут быть реализованы на пассивных [3] и активных элементах [4,5].

Список использованных источников

1. Schmidt, R.O. Simultaneous signals IFM receiver using plural delay line correlators. Патент США на изобретение №5440228.

2. Tsui, J.B.Y., Hedge, J.N. Instantaneous frequency measurement (IFM) receiver with two signals capability. Патент США на изобретение №5291125.

3. Chaudhary, G. A design of compact wideband negative group delay network using cross coupling/ G. Chaudhary, Y. Jeong // Microwave and optical technology letters. – 2014. - №11. – VOL56. – pp. 2495 – 2497.

4. Wu, C.-T.M. A Dual-Purpose Reconfigurable Negative Group Delay Circuit Based on Distributed Amplifiers/ C.-T. M. Wu, S. Gharavi, B. Daneshrad, T. Itoh // IEEE Microwave and wireless components letters. – 2013. – pp. 1 – 3.

5. Ravelo, B. Investigation on Microwave Negative Group Delay Circuit/B. Ravelo// Electromagnetics. – 2011. - №31. – pp. 537 – 549.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного измерения частоты непрерывных СВЧ сигналов в широком диапазоне частот. Техническим результатом является снижение погрешности измерения частоты. Изобретение представляет собой широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов, состоящий из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, синфазного делителя СВЧ мощности, N линий задержки, N фазовых корреляторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, при этом в измеритель дополнительно введены N линий задержки с отрицательным временем групповой задержки, при этом входы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к выходам синфазного делителя СВЧ мощности, а выходы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к входам соответствующих фазовых корреляторов. 2 ил.

Широкополосный измеритель частоты СВЧ сигналов, состоящий из последовательно включенных входного усилителя-ограничителя, полосно-пропускающего СВЧ фильтра, синфазного делителя СВЧ мощности, N линий задержки, N фазовых корреляторов, выходы которых подключены к вычислительному устройству, отличающийся тем, что в него дополнительно введены N линий задержки с отрицательным временем групповой задержки, при этом входы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к выходам синфазного делителя СВЧ мощности, а выходы линий задержки с отрицательным временем групповой задержки подключены к входам соответствующих фазовых корреляторов.