СВЧ-дискриминатор сигналов с угловой модуляцией Советский патент 1984 года по МПК H03D9/04 

1 Изобретение относится к радио- технике и может быть использовано в измерительных устройствах и систе мах автоматической подстройки часто ты СВЧ-диапазона радиоволн. Известен СВЧ-дискриминатор сигна лов с угловой модуляцией, содержащий объемньш резонатор, входной элемент связи, два выходных элемент связи, ориентированных ортогонально друг другу, при этом входной элемент связи расположен под углом 135(или 5°) по отношению к выходным элементам связи, к которым под ключены детекторные диоды, соединенные через фильтры нижних частот с входами дифференциального усилитепя П. Однако известное устройство имее ограниченный диапазон рабочих часто и не позволяет реализовать в одном устройстве функции частотного и фазового дискриминаторов одновременно Известен также СБЧ-дискриминатор сигналов с угловой модуляцией, содержаний квазиоптический резонатор, образованный цилиндрическим корпусом, внутренняя поверхность которог покрыта слоем поглощающего материала, первым и вторым зеркалами, направленными своими вогнутыми повер ностями друг к другу и установленны ми перпендикулярно образующей цилин рического корпуса на его торцах, первый входной элемент связи, выполненный в виде прямоугольной щели в центре первого зеркала, второй входной элемент связи, выходные элементы связи, выполненные в виде первой и второй прямоугольных щелей во втором зеркале, с которыми связаны детекторные диоды, соединен ные через фильтры нижних частот с входами дифференциального усилителя 121. Недостатками данного устройства при его использовании в комбинированных системах автоподстройки частоты являются сложность настройки и повышенные габариты, так как устройство выполняет функции только фазового диcкpи tинaтopa и,, следовательно, должно быть дополнено отдельным частотным дискриминатором. Цель изобрете1шя - ттрощение настройки и уменьшение габаритов при использовании в комбинир.ованных системах автоподстройкн частоты. 9i Цель достигается тем, что в СВЧдискриминаторе сигналов с угловой модуляцией, содержащем квазиоптический резонатор, образованный цилиндрическим корпусом, внутренняя поверхность которого покрыта слоем поглощающего материала, первым и вторым зеркалами, направленными своими вогнутыми поверхностями друг к Другу и установленными перпендикулярно образующей цилиндрического корпуса на его.торцах, первый входной элемент связи, выполненный в виде прямоугольной щели в центре первого зеркала, второй входной элемент связи, выходные элементы связи, выполненные в виде первой и второй прямоугольных щелей во втором зеркале, с которыми связаны детекторные диоды, соединенные через фильтры нижних частот с входами дифференциального усилителя, второй входной элемент связи расположен в центре второго зеркала и выполнен в виде прямоугольной щели, поперечное сечение которой перпендикулярно поперечному сечению прямоугольной щели первого входного элемента связи, центры поперечных сечений первой и второй прямоугольных щелей расположены на линиях пересечения ортогональных плоскостей симметрии квазиоптического резонатора, проходящих параллельно сторонам прямоугольной щели первого входного эле- , мента связи, с поверхностью второго зеркала и смещены от центра второго зеркала на расстояния О,7 0,75 радиуса его апертуры, а поперечные сечения первой и второй прямоугольных щелей ориентированы ортогонально друг другу и под углом 45°к поперечным сечениям прямоугольных щелей первого и второго входных элементов связи соответственно, при этом второе зеркало выполнено с управляемым профилем. На фиг. 1 представлена конструкдая СВЧ-дискриминатора сигналов с угловой модуляцией; на фиг. 2 - его структурная схемаJ на фиг. 3 - управляемьш профиль второго зеркала, на фиг. 4 - экспериментальное распределение поля на апертуре второго зеркала; на фиг. 5 и 6 - векторные диаграммы, поясняющие работу устройства в режиме фазового дискриминатора . сиг11;1.пов с угл пой модуляцией содержит квазиоптическйй резонатор, образованный цилиндрическим корпусом 1, первьгм и вторым зеркалами 2 ИЗ, первый и второй входные элементы 4 и 5 связи Второе, зеркало 3 закреплено в цилиндрическом корпусе 1 неподвижно, а первое зеркало 2 может перемещать ся при настройке по пазам 6 и фиксироваться стопорными винтами 7. Внутренняя поверхность цилиндрического корпуса 1 покрыта слоем поглоиающего материала 8, например углеродистой резины. Профиль второго зе кала 3 может изменяться с помощью прижимных винтов 9. На втором зеркале 3 расположены выходные элементы связи, вьшолненные в виде первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей. Детекторные диоды 12 и 13 (фиг.2 связаны с первой 10 и второй 11 пря моугольными щелями и через фильтры 14 и 15 нижних частот подключены к входам дифференциального усилител (не показан). СВЧ-дискриминатор сигналов с угловой модуляцией работает следующим образом. В режиме частотного дискриминат ра сравниваемый сигнал с частотой ff через первый входной элемент 4 связи возбуждает в квааиоптическом резонаторе, настроенном на частоту д, электромагнитное поле с типом колебаний TEMof с вертикальной поляризацией вектора напряженности электрического поля. За счет поджа тин прижимных винтов 9 и деформац второго зеркала 3 в квазиоптическо резонаторе мода колебаний ТЕМ0 на частоте f© расщепляется на дублет ТЕМо, и ТЕМ с резонансными частотами fj и fj , причем f Можно,показатьJ что разность часто if f - f, при деформации второг зеркала 3 согласно фиг. 3 определя ется соотнощением Ч-да-6-с. 3ta c -S2e-df 3lvi(arctcj) - где С - скорость света; df - расстояние между первым 2 и вторым 3 зеркалами; - радиус кривизны второго зеркала 3 до деформации riJlOCKdCTH Д1.МСТ1 ИЯ П,(1миругощих cnji; &А - величина изменения раскрып.второго зеркала 3 после дeфopмaцииi о - радиус раскрыва второго зеркала 3. Экспериментальное распредечение рельефа поля мод ТЕМ и показано на фиг. 3, где цифрами у линий рельефа обозначен приведенньй уровень амплитуды вектора напряженности электрического поля Е . Амплитудное распределение полей этих мод в пространстве по характе|ру одинаково, но по азимуту повернуты друг относительно друга на 90 Поляризация электрического поля Е мод дублета одинакова и определяется разложением первого входного элемента 4 связи. При расположении первой 10 к второй 11 прямоугольных щелей в специально выбранных местах (точки 1 и 2 на фиг. 3) и при определенной их ориентации обеспечивается селективная связь с полем каждой из мод ТЕМ- ff и TEMgji , т.е. обеспечивается пространственная селекция полей этих мод. Благодаря расположению первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей, обеспечивающему пространственную селекцию каждой из мод TEMJ,, и , через детекторные диоды 12 и 13 будут протекать токи, пропорциональные проекциям вектора напряженности электрического поля срав1шваемого сигнала в области первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей на направление, перпендикулярное плоскости ориентации соответствующей . При этом в зависимости от соот- нощения частот f. и fg .эти токи создадут соответствующие падения напряжения на выходе фильтра 15 нижних частот и благодаря встречному включению детекторных диодов, сформируется дискриминационная хааактеристика частотного дискриминатора . В режиме фазового дискриминатора квазиоптический резонатор одновременно возбуждается сравниваемым и опорным сигналами соответственно через первый и второй входные эле- / менты 4 и 5 связи. Частота опор5него сигнала полагается равной f . С учетом азимутальной ориентации попей мод дублетов опорного сигнала ( ) и сравниваемого сигнала ( ТЕМ,) детекторный диод 12 оказывается под воздейс вием составляющих векторов электрических полей, пропорциональных модам ТЕМадд и перпендикулярных плоскости ориентации первой прямоугольной щели 10, а детекторны диод 13 оказывается под воздействием составляющих векторов электрических полей, пропорциональных модам ТЕМ и ТЕМд,од, и перпендикулярных плоскости ориентации второй ггрямоугольной щели 11. В общем случае при через первьм и второй детекторные диоды 12 и 13 протекают токи биений с амплитудой, пропорциональной расстройке Д 5, fo , и с частотой, равной life- Возникающее при этом постоянное напряжение на выход фильтра 14 нижних частот будет пропорционально расстройке aft, а по полярности будет соответствовать зн ку расстройки Ifu . В случае равенства частот fg f амплитуды векторов напряженностей электрических долей мод ТЕМ ri ТЕМ равны между собой. -С учетом равенства частоты опорного сигнала частоте настройки квазиоптического резонато ра ф и симметрии мод дублетов, ам плитуды векторов напряженностей электрических полей мод ТЕМо, аи также равны между собой. В этом случае вектор напряженности результирующего электрического поля в области первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей найдется как геометрическая сумма векторов напряженности соответствующих мод сравниваемого Е. и опорного сигна69лов на комплексной плоскости с учетом их разности фаз. Необходимые построения для конкретных значений разности фаз представлены векторными диаграммами на фиг. 5, на которых без потери общности принято 1Ёо , а центры первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей условно совмещены без изменения их ориентации в пространстве относительно поляризации возбуждающих квазиоптический резонатор полей опорного и сравниваемого сигналов. Токи через детекторные диоды 12 и 13 пропорциональны векторам Е и - проекциям вектора напряженности результирующего поля Е. на направления, перпендикулярные плоскости ориентации первой 10 и второй 11 прямоугольных щелей. С учетом последнего замечания из векторных диаграмм на фиг. 5 видно, что в предлагаемом устройстве действительно формируется дискриминационная характеристика, соответствующая фазовому дискриминатору. Предлагаемое устройство при его работе в режиме фазового дискриминатора нечувствительно к изменениям уровня мощности сравниваемого и опорного сигналов, что подтверждается векторными диаграммами на фиг.6 для случая изменения амплитуды сравниваемого сигнала в два раза при неизменных остальных условиях, принятых при построении векторных диаграмм фиг. 5. Предложенный СВЧ-дискриминатор сигналов с угловой модулядаей позволяет реализовать систему автоподстройки частоты в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах лин, волн, обладающую одновременно остоинствами систем частотной автоподстройки и фазовой автоподтройки, частоты.

7. «

. tm истннимсиавниваеногосигнала

опорного согнано

Фиг.2 К усилителю ФАПЧ

TEMOI

2W

4 90

a e.5|

01

. ФигМ

tfs tto

ffff

-180

f«2W

r я

e.

fii

-0

it : f