Устройство фазирования пространственно разнесенных СВЧ-генераторов Советский патент 1993 года по МПК H03L7/00 

(риг1

ляемый фазовращатель 14, коаксиальную линию связи 15 и делители частоты с четным коэффициентом деления 16, 17. В устройстве обеспечивается устранение неоднозначности установившегося значения разности фаз между ведущим и ведомым СВЧ-генера- торами при включении и расширении диапазона рабочих частот. 2 ил.

Использование: радиотехника, разлйч- Hbiis радиотехнические устройства. Сущность изобретения: устройство фазирования пространственно разнесенных СВЧ-генераторое содержит СВЧ-генераторы 1-3, .смесители, 4- 7, фазовые детекторы 8,9, циркуляторы 10,11, высркрчастртный генератор 12, регенеративный делитель частоты на два 13, управ

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может использоваться для синфазного гетеродинирования в радиопеленгаторах, радиоинтерферометрах, в системах разнесенного приема, а также в технике измерения параметров протяженных четырехполосников.

Целью изобретения является исключение неоднозначности установившегося значения разности фаз между ведущим и ведомым СВЧ-генераторами при включении и расширение диапазона рабочих частот. - ;-. ;

На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого устройства. Оно содержит ведущий и ведомый СВЧ-генераторы 1 и 2, вспомогательный СВЧ-генератор 3, первый, второй, третий и четвертый смесители 4, 5, 6 и 7 соответственно, первый и второй фазовые детекторы 8 и 9, первый и второй циркуляторы 10 и 11, высокочастотный генератор 12, регенеративный делитель 13 частоты на два, управляемый фазовращатель 14, коаксиальная линия 15 связи и делители 16 и 17 частоты с четным коэффициентом деления. На рис. 2 приведен пример зависимости потерь в коаксиальном кабеле от частоты сигнала,

Устройство работает следующим образом.

Ведущий СВЧ-генератор 1 формирует колебания с частотой wi и начальной фазой oi, используемые, например, в качестве гетеродинных в приемной станции, базирующейся в пункте А, где размещается и вся аппаратура, изображенная на фиг. 1 слева от коаксиальной линии связи. После деления частоты этого генератора в четное число раз, т.е. в 2п раз, где п - целое число, фаза этого сигнала с учетом неопределенности начального состояния делителя 16 может быть записана следующим образом.

i-йиш

(1)

где k 0,1....2гН - целое число. Частота и фаза сигнала вспомогательного СВЧ-генератора 3 в результате работы первого кольца фазовой автоподстройки частоты, содержащего, помимо этого генератора, смеситель 4 и фазовый детектор 8 и выполняющего функции сумматора частот, равны соответственно:

-%+„,

.ifc -ifr+e.

(2)

(3)

где в- фаза сигнала частоты УЗ, поступающего на опорный вход фазового детектора 8. После прохождения кабельной линии 15 связи в пункте Б на вход смесителя 7 попадает сигнал с частотой (2), но с фазой

()г, И)

.

где т-время распространения сигнала по кабельной линии 15 связи. Частота и фаза сигнала ведомого СВЧ-генератора определяется работой второго кольца фазовой автоподстройки частоты, выполняющего функцию частотного сдвига вниз и содержащего помимо этого генератора смеситель 7, второй фазовый детектор 9 и,делитель частоты 17. На выходе делителя 17 по аналогии

с (1) можно записать выражения для фазы сигнала

flQ2 . 2Л

2 п 2 п

(5)

где ( - искомое значение фазы ведомого генератора, устанавливающееся в результате работы устройства, а I 0,1....2п-1-целое число. Второе слагаемое в (5) учитывает неопределенность начального состояния этого делителя 17 частоты. При этом фаза сигнала частоты ftu. поступающего на опорный вход фазового детектора 9 после прохождения коаксиальной линии 15 связи

ро ро- fW ,

(6)

где (fa - начальная фаза сигнала высокочастотного генератора 12. С учетом работы

второго кольца фазовой автоподстройки частоты частота ведомого СВЧ-генератора устанавливается равной йл, а фаза сигнала (5) устанавливается равной

$з № ро Vi. + (y +Ы2) +

+ (02 t ty + 6 - po - T

(7)

т.е. зависит от фазы в опорного сигнала первого фазового детектора 8.

Во втором смесителе 5, работающем как смеситель биений, выделяется частота, равная разности частот его входных СВЧ- сигналов, т.е. (Oz. В смесителе 6, работающем на суммирование частот, выделяется частота 2од, а начальная фаза этого коле- бания равна сумме начальных фаз входных сигналов этого смесителя. После деления частоты на два в делителе 13 происходит вновь возврат к частоте (Oz с начальной фазой, равной полусумме начальных фаз входных сигналов смесителя 6, плюс неопределенность (0,тг), вызванная неопреде- .ленностыо начального состояния делителя 13 частоты на два. Заметим, что делитель 13 выполнен регенеративным с тем, чтобы ап- паратура пункта А заработала сразу после включения аппаратуры. В случае же использования делителя частоты счетчикового типа периодический сигнал на его выходе после включения отсутствовал бы, что могло бы привести к неправильной работе всего устройства из-за произвольности начальной частоты несинхронизированного вспомогательного СВЧ-генератора 3.

Таким образом, для в можно записать

e 7j(№ i/ti+ Р°)+(&я)+1/10, (8) где t/$ Цъ фаза сигнала с выхода

х. П

делителя 17 частоты после прохождения коаксиальной линии связи 15 в обратном направлении, t/b - сдвиг фазы, вводимый управляемым фазовращателем 14, Подставляя сюда выражение (3), находим

О (V/. + 0 - + + р0) +

+ (0,л)(+в-г/ 1.-в+ (9) + ffc+| +y +Ґ3b) + ((U)+Vb

QJ1 Т

2 п

+ (ро + (О, Л) + tyo .

Подставляя это выражение в формулу (7), получаем

W1 Т

рЗ р + - + ро + (0, 71) + V o - (0,)+Ґ о.

(10)

10

§ . 20 . 2530- 35 40.

л

т.Э

50

55

Используя теперь формулы (5) и (1), находим установившееся значение фазы ведомого генератора 2

/Ъ2- 2 п $з - 2 л 2 n I/A + + (0,2 п л) -2 л: I + .2 n Vo

целократное 2 л

-- .. (п)

т.е. с точностью до целократного 2л фаза сигнала ведомого СВЧ-генератора отслеживает поворот фазы t/ь , вводимый управляемым фазовращателем 14 и, в частности, при нулевом колебания ведущего и ведомого СВЧ-генератора 1 и 2 совпадают по фазе.

Таким образом, благодаря отсутствию дисперсии в коаксиальной линии 15 связи, в предлагаемом устройстве выделяется, набег фазы СВЧ-сигнала е ней и, будучи перенесен на частоту а%. вводится с упреждением,, т.е. с обратным знаком в транслируемый сигнал со стороны ведущего С8Ч-генераторз 1, расположенного в пункте А. При этом точно компенсируется набег фазы в линии 15, что делает устройство фа- зирования инвариантным по отношению к длине этой линии и ее вариациям. Это важнейшее свойство прототипа сохраняется в предлагаемом устройстве.

В отличие от прототипа неоднозначность фазы на выходах делителей частоты 13, 16, и 17 характеризуемая целыми числами п, к и I соответственно, как видно из формулы (11), не сказывается на взаимной фазировке ведущего и ведомого СВЧ-гене- раторов 1 и 2, что непосредственно связано с использованием новых элементов - делителей 16 и 17 частоты на четное число. Их наличие позволяет также расширить возможности реализации устройства по диапазону частот СВЧ-генераторов 1 и 2 за счет увеличения их частоты в 2п раз без изменения частот транслируемых по линии 15 сигналов или дает возможность увеличить длину коаксиальной линии связи 15, сохра-. няя потери в ней на приемлемом уровне за счет понижения частот транслируемых СВЧ- сигналов. В последнем случае, если изобретение использовано в радиоинтерферометре, может быть существенно увеличено базовое расстояние между его антеннами и соответственно увеличено угловое разрешение радиоинтерферометра. Появление этих возможностей связано с тем, что погонные потери передаваемого сигнала в линии 15, реализуемой в данном случае в виде коаксиального кабеля, сильно возрастают с ростом частоты этого сигнала, а полные по-, териэкспоненциально нарастают с увеличением длины линии.

Пример зависимости погонных потерь от частоты для коаксиального кабеля с полувоздушным диэлектриком типа РК75 приведен на фиг. 2.

Если частоты транслируемых колебаний равны или близки к частотам ведущего и ведомого генераторов, как это имеет место в прототипе, то выбор рабочего диапазона частот и типа кабеля позволяет реализовать устройство-прототип до длин, при которых потери не превышают 50 дБ. В предлагаемом устройстве частоты ведущего и ведомого СВЧ-генераторов могут быть сохранены такими же, как ив прототипе, а снижение частот транслируемых сигналов за счет использования делителей 16 и 17 частоты позволяет реализовать фазирова- ние СВЧ-генераторов на расстоянии приблизительно во столько же раз большем, во сколько эти делители делят частоту СВЧ-с.игналов, В другом крайнем варианте реализации при сохранении длины коаксиальной линии связи рабочая частота СВЧ-генераторов может быть увеличена во столько же раз. Возможно и комбинированное варьирование длиной линии связи и частотой фазируемых генераторов 1 и 2,

Отметим некоторые особенности выполнения устройства. Частота высокочастотного генератора 12 должна выбираться из следующих соображений. Во избежание срыва синхронизации в кольцах фазовой ав-„ топодстройки частоты она должна быть хотя бы в несколько раз больше 1/2п доли возможного собственного ухода частоты подстраиваемых генераторов 2 и 3 из-за всех дестабилизирующих факторов. В тоже время с ростом этой частоты возрастает вклад нестабильностей и погрешностей изготовления элементов схемы устройства, работающих на частотах од и 2 ftJg, в погрешность фазирования, поскольку, как это видно из схемы устройства, они эквивалентны по характеру проявления сдвигу фазы, вносимому/управляемым фазовращателем 14. Оптимальной следует считать частоту в интервале 1...10 МГц. Кратность деления частоты 2п в делителях 16 и 17 не следует выбирать более 6...10, поскольку при этом также возрастает вклад погрешностей, вносимых вышеуказанными элементами.

Оптимальной следует считать кратность деления частоты в делителях 16 и 17 равной 2, 4 или 6. Отметим, что, как и в прототипе, Статические фазовые сдвиги, имеющие место вне коаксиальной линии 15 связи, и не

учитывающиеся в проведённом выше анализе, могут быть скомпенсированы начальной установкой управляемого фазовращателя 14 при стендовой отработке и наладке аппаратуры. При этом нет необходимости использовать полномасштабную кабельную линию, поскольку ее длина, не влияет на статическую погрешность фазирования. Можно использовать небольшую бухту дешевого и более короткого кабеля с

более высокими погонными потерями, чем в рабочей кабельной линии, и провести настройку с помощью фазометрической аппаратуры в одном помещении. После этого настроенные элементы устройства устанавливаются на свои штатные места в пунктах А и Б. . ...-.;.

Ф о р м у л а и з о б р ете н и я Устройство фазирования пространственно-разнесенных СВЧ-генераторов, содержащее ведущий СВЧ-генератор. соединенные в кольцо первый смеситель, первый фазовый детектор и вспомогательный СВЧ-генератор, последовательно соединенные второй смеситель, третий

смеситель, регенеративный делитель частоты на два и управляемый фазоврзщатель, выход которого подключен к второму входу первого фазового детектора, первый цирку- лятор, первое и третье плечи которого подключены соответственно к выходу вспомогательного СВЧ-генератора и другому входу второго смесителя, высокочастотный генератор, подключенный к другому входу третьего смесителя, второй циркулятор, коаксиальную линию связи, исключенную между вторым плечом первого циркулятора и высокочастотным генератором и первым плечом второго циркулятора, последовательно соединенные четвертый

смеситель, один вход которого подключен к второму плечу второго циркулятора, второй фазовый детектор, другой вход которого подключен к первому плечу второго циркулятора, и ведомый СВЧ-генератор, о т л и чающееся тем, что, с целью устранения неоднозначности установившегося значения разности фаз между ведущим и ведомым СВЧ-генераторами при включении и расширения диапазона рабочих частот.

между выходом ведущего СВЧ генератора и другим входом первого смесителя включен второй делитель частоты, между выходом ведомого СВЧ-генератора и другим входом

четвертого смесителя включен второй делитель частоты, причем первый и второй делители ч а стоты в ы п олн е н ы с ра в н.ы м и четными коэффициентами деления.