ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ СИГНАЛОВ С ШИРОКИМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ Российский патент 2022 года по МПК G01R23/00 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в аппаратуре радиоэлектронной борьбы (РЭБ) для измерения параметров импульсных радиосигналов в широком диапазоне рабочих частот, в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство измерения несущей частоты импульсных сигналов.

Известно устройство измерения частоты (патент RU 2317558 на изобретение, МПК G01R 23/04, 2008 г.), содержащее делители мощности, направленные ответвители, линии задержки, согласованную нагрузку, амплитудные детекторы, усилитель-ограничитель, двухканальные разностные видеоусилители, аналого-цифровые преобразователи, программируемую логическую матрицу, сумматор, одноканальный видеоусилитель, компаратор.

Основными недостатками этого устройства являются:

- высокие требования, предъявляемые к частотно-зависимым узлам (частотные дискриминаторы и линии задержки, усилитель-ограничитель);

- зависимость частотно-зависимых узлов от рабочего диапазона частот, что, в свою очередь, влияет на конструктивные требования к этим узлам и возможность проведения унификации изделия;

- сложность технической реализации в мм-диапазоне длин волн и ограниченные функциональные возможности. Кроме этого, в таком устройстве отсутствует возможность измерения мощности и длительности входного импульсного сигнала.

Известен так же аналог (патент США №5099194 на изобретение, МПК G01R 23/16, 1992 г.), представляющий собой цифровой приемник измерения частоты с дискретизацией комплексного сигнала, состоящий из делителей мощности, аналого-цифровых преобразователей, гетеродина, смесителей, процессора, выполняющего быстрое преобразование Фурье.

В данном устройстве для расширения частотного диапазона используется неравномерная выборка с различной частотой дискретизации. Однако известное устройство имеет следующие недостатки:

- высокие аппаратные и вычислительные затраты, связанные с необходимостью вести дискретизацию и дальнейшую обработку на трех различных частотах дискретизации;

- необходимость большого количества фильтров (с высокими требованиями к добротности фильтров), наличие паразитных сигналов по зеркальному каналу, потери в смесителе, ограничивающие чувствительность цифрового приемника, а также необходимость в перестраиваемом в широкой полосе гетеродине;

- сложность технической реализации в мм-диапазоне длин волн и ограниченные функциональные возможности;

- отсутствие возможности измерения мощности и длительности входного импульсного сигнала.

Из известных устройств, подобных заявленному цифровому измерителю параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот, наиболее близким по технической сущности, является цифровой измеритель частоты (патент RU 2325665 на изобретение, МПК G01R 23/00, 2006 г.). Устройство прототип содержит последовательно соединенные усилитель высокой частоты, полосно-пропускающий фильтр, частотный дискриминатор с четырьмя выходами, а также аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и вычислитель, причем вход усилителя является входом устройства, выход каждого АЦП соединен с входами вычислителя, логарифмические видеоусилители (ЛВУ), аналоговый сумматор, обнаружитель импульсных сигналов, блок формирования кода мощности, блок формирования кода коррекции и цифровой сумматор, выход цифрового сумматора является выходом измерителя частоты.

В отличие от других известных устройств измерения частоты, это устройство обладает повышенной помехозащищенностью с одновременным расширением функциональных возможностей устройства - измерение мощности и длительности входного импульсного сигнала.

Недостатками прототипа являются:

- высокие аппаратные и вычислительные затраты;

- зависимость частотно-зависимых узлов (частотный дискриминатор) от рабочего диапазона частот, что, в свою очередь, влияет на конструктивные требования к этим узлам и возможность проведения унификации изделия;

- сложность технической реализации в мм-диапазоне длин волн и ограниченные функциональные возможности.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение аппаратной и вычислительной избыточности, уменьшение массогабаритных характеристик за счет изменения метода измерения параметров сигнала (несущей частоты), в том числе исключение частотно-зависимых узлов (частотные дискриминаторы и линии задержки) с высокими предъявляемыми требованиями, и унификация в широком диапазоне входных частот.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что в цифровом измерителе параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот для увеличения частотного диапазона введен широкополосный делитель частоты с программируемым коэффициентом деления.

Такое решение позволяет избавиться от таких значимых недостатков, присущих аналогам и прототипу, как температурная нестабильность, необходимость в большом количестве фильтров (с высокими требованиями к добротности), наличие частотно-зависимых узлов (частотные дискриминаторы и линии задержки), паразитных сигналов по зеркальным каналам, необходимость применения гетеродинов, перестраиваемых в широкой полосе, и смесителей, ограничивающих чувствительность цифрового приемника.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-3.

На Фиг. 1 приведена структурная схема цифрового измерителя параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот.

Цифровой измеритель параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот содержит:

1 - устройство приемное (логарифмический видеоусилитель с каналом усиления СВЧ сигнала);

2 - усилитель высокой частоты;

3 - делитель частоты с программируемым коэффициентом деления;

4 - цифровая ячейка измерения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов.

Рассмотрим работу цифрового измерителя параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот, схема которого представлена на фиг. 1.

Входной импульсный СВЧ сигнал поступает на вход приемного устройства 1, где осуществляется деление входного сигнала на два канала. В первом канале осуществляется промежуточное усиление СВЧ сигнала. Во втором канале формируется видеосигнал, пропорциональный мощности и длительности входного сигнала. Видеосигнал, сформированный во втором канале приемного устройства 1, является сигналом обнаружения и поступает на вход видео цифровой ячейки измерения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов 4.

Усиленный в первом канале приемного устройства 1 СВЧ сигнал, поступает на усилитель высокой частоты 2 для обеспечения необходимого уровня СВЧ сигнала, подаваемого на вход делителя частоты 3, в делителе частоты 3 осуществляется деление СВЧ сигнала с необходимым коэффициентом деления для конкретного рабочего диапазона входных частот. Деленный СВЧ сигнал поступает на вход радио цифровой ячейки измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов 4.

На Фиг. 2 приведена структурная схема цифровой ячейки измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов.

Цифровая ячейка измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов содержит:

5, 6 - АЦП;

7 - пороговое устройство (ПУ);

8 - память;

9 - блок быстрого преобразование Фурье (БПФ);

10 - блок определения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов.

Аналоговый сигнал, поступающий на вход видео цифровой ячейки измерения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов, схема которой представлена на фиг. 2, преобразуется АЦП 5 в цифровой двоичный код, по которому в блоке определения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов 10 вычисляется мощность и длительность входного импульсного сигнала, пороговое устройство 7 формирует сигнал записи отчетов, поступающих с АЦП 6, который преобразует аналоговый сигнал, поступающий на вход радио в цифровой двоичный код, и записывается в память 8, далее передается в блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 9, по формируемым отчетам БПФ блок определения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов 10 формирует соответствующий код несущей частоты входного сигнала.

Значение частоты входного сигнала определяется по формуле:

F = g ⋅ Δf,

где g - номер гармоники БПФ с максимальной амплитудой,

Δf - шаг по частоте между соседними гармониками:

где Fs - частота дискретизации,

d - коэффициент деления делителя частоты,

N - количество точек БПФ.

На Фиг. 3 приведен алгоритм работы цифровой ячейки измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов.

Таким образом, достигаемым техническим результатом в предлагаемом цифровом измерителе параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот по сравнению с прототипом, является:

- отсутствие частотно-зависимых узлов (частотные дискриминаторы), ограничивающих чувствительность цифрового приемника;

- уменьшение аппаратурной сложности;

- сокращение номенклатуры составных частей цифрового измерителя параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот;

- повышение функциональной устойчивости и чувствительности;

- возможность изготавливать унифицированный (с однотипными схемным решением и массогабаритными характеристиками) измеритель параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот (за счет изменяемого коэффициента деления делителя частоты).

Представленные чертежи и описание принципа действия цифрового измерителя параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот позволяют изготовить его промышленным способом, используя существующую элементную базу, и использовать по своему прямому назначению.

Заявленный цифровой измеритель параметров импульсных СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот достаточно легко реализуем.

Устройство приемное может быть реализовано на СВЧ диодах MADS-001317, операционных усилителях AD8042AR, логарифмическом усилителе AD8310ARM.

Усилитель высокой частоты, в зависимости от диапазона входных сигналов, может быть реализован на усилителях СВЧ XD1001-BD-000V фирмы MACON, RFMD серия NBB, UVA-51A2MC фирмы Микроволновые системы.

Делитель частоты может быть выполнен на основе специализированной микросхемы Microsemi UXN40M7K.

Цифровая ячейка измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов может быть реализована на ПЛИС Cyclone II от Altera, АЦП AD9484 от Analog Devices.

Использование: предложенное изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах наблюдения за радиотехнической обстановкой в составе комплекса или как автономное устройство измерения параметров импульсных СВЧ сигналов в широком диапазоне рабочих частот. Сущность: в цифровом измерителе параметров СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот изменен алгоритм функционирования устройства, исключены частотно-зависимые узлы, введены делитель частоты с программируемым коэффициентом деления, цифровая ячейка измерения параметров входных сигналов, поступающих через устройство приемное (логарифмический видеоусилитель с каналом усиления СВЧ сигнала), усилитель высокой частоты, соединенные соответствующим образом между собой. Технический результат: снижение аппаратной и вычислительной избыточности, уменьшение массогабаритных характеристик и унификация в широком диапазоне входных частот. 3 ил.

Цифровой измеритель параметров СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот, содержащий последовательно соединенные устройство приемное, представляющее собой логарифмический видеоусилитель с каналом усиления СВЧ сигнала, усилитель высокой частоты, отличающийся тем, что в него дополнительно введены широкополосный делитель частоты и цифровая ячейка измерения несущей частоты, длительности и амплитуды импульсного СВЧ сигнала, причем вход приемного устройства является входом устройства, выход первого канала приемного устройства соединен с входом амплитудного канала цифровой ячейки измерения несущей частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов, второй выход приемного устройства соединен с входом усилителя высокой частоты, выход усилителя высокой частоты соединен с входом широкополосного делителя частоты, выход делителя частоты соединен с частотным каналом цифровой ячейки измерения частоты, амплитуды и длительности импульсных сигналов, выход цифровой ячейки измерения несущей частоты, длительности и амплитуды импульсного сигнала является выходом цифрового измерителя параметров СВЧ сигналов с широким диапазоном рабочих частот.