Радиоимпульсный частотный дискриминатор
Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Марта 2013 в 21:57, доклад
Краткое описание
Описана схема частотного дискриминатора с расширенной полосой захвата по частоте, предназначенного для работы в составе системы автоматической подстройки частоты гетеродина радиоимпульсного приемопередающего устройства, приведены результаты измерения полосы захвата экспериментального образца дискриминатора. Данный дискриминатор имеет ширину полосы захвата, достаточную для обеспечения беспоискового режима автоподстройки частоты гетеродина.
Прикрепленные файлы: 1 файл
Серия РАДИОФИЗИКА. Вып. 2
243
УДК 621.376.332
РАДИОИМПУЛЬСНЫЙ ЧАСТОТНЫЙ ДИСКРИМИНАТОР
С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ ЗАХВАТА ПО ЧАСТОТЕ
Э.Л. Привер
Описана схема частотного дискриминатора с расширенной полосой за-
хвата по частоте, предназначенного для работы в составе системы автомати-
ческой подстройки частоты гетеродина радиоимпульсного приемо-
передающего устройства, приведены результаты измерения полосы захвата
экспериментального образца дискриминатора. Данный дискриминатор имеет
ширину полосы захвата, достаточную для обеспечения беспоискового режи-
ма автоподстройки частоты гетеродина.
ВВЕДЕНИЕ
Частотный дискриминатор является основным узлом автоматической под-
стройки частоты гетеродинов (АПЧГ) радиоимпульсных приемо-передающих уст-
ройств миллиметрового диапазона длин волн с импульсными магнетронными пе-
редатчиками. В таких устройствах промежуточная частота приемника (
f
n2
) нахо-
дится, как правило, в пределах от 1 до 3 ГГц, длительность импульсов — от десят-
ков наносекунд до нескольких микросекунд, а суммарный уход частоты передат-
чика и гетеродина достигает величины нескольких сотен мегагерц, и для обеспе-
чения устойчивой работы приемника необходимо наличие в составе устройства
системы АПЧГ с широкой полосой захвата по частоте. Выполненные по извест-
ным схемам дискриминаторы не обеспечивают столь широкой полосы захвата,
поэтому в устройства вводятся дополнительные схемы поиска, усложняющие сис-
тему АПЧГ и снижающие ее быстродействие [1, 2].
Целью данной работы является синтез схемы дискриминатора с расширенной
полосой захвата по частоте для обеспечения беспоискового режима работы АПЧГ.
СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
В состав типовой структурной схемы радиоимпульсного частотного дискри-
минатора (РИЧД) входят, как известно [1–3], следующие элементы: частотный
разделитель (ЧР), два идентичных амплитудных детектора, дифференциальный
усилитель-ограничитель и запоминающее устройство (устройство выборки-
хранения). ЧР представляет собой делитель мощности входного сигнала с частот-
но-зависимым коэффициентом деления, он выполняется, как правило, либо на
двух взаимно-расстроенных контурах (резонаторах), либо на одиночном контуре
(резонаторе) [4]. Последний вариант более предпочтителен, т.к. его схема содер-
жит лишь один частотно-селективный элемент, настраиваемый на заданную вели-
чину
f
n2
= f
0
, что обеспечивает простоту регулирования дискриминатора и более
Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского
244
высокую стабильность его параметров. Дискриминаторы с таким ЧР получили
название дискриминаторов с фазовым детектированием, в них формирование час-
тотной характеристики (зависимости выходного напряжения от расстройки по
частоте) происходит вследствие зависимости фазы сигнала, проходящего через
контур (резонатор), от частоты [1,4].
Структурная схема ЧР-дискриминатора с фазовым детектированием содержит
делитель мощности входного сигнала, колебательный контур (проходной резона-
тор), фазосдвигающую цепь и мостовое устройство (или его аналог, выполненный
на LC-элементах). Если рассматривать ЧР как шестиполюсник, то форма частот-
ной характеристики РИЧД определяется с точностью до знака выражением:
( )
2
13
2
12
S
S
f
D
−
=
,
(1)
где
S
ij
— элементы матрицы рассеяния ЧР.
При
0
f
f =
должно выполняться условие:
( )
0
0
=
f
D
.
(2)
Известно, что форма частотной характеристики дискриминаторов с фазовым
детектированием, выполненных на элементах с сосредоточенными параметрами,
определяется выражением [4]:
( )
2
1
2
x
x
x
D
+
=
,
где
η
Q
x =
— обобщенная расстройка,
f
f
f
f
0
0
−
=
η
— относительная рас-
стройка,
Q
— добротность контура.
Кривая
D(x)
центрально-симметрична
(D(0)=0)
, имеет два экстремума при
( )
(
)
1
1
1
±
=
±
±
=
D
x
, монотонно нарастающий участок при
1
1
≤
≤
−
x
и два
падающих участка при
1
>
x
.
В видеоусилителе РИЧД происходит ограничение амплитуды импульсов по за-
данному уровню
K < 1
. Координаты точек пересечения падающих участков кри-
вой
D(x)
горизонтальными линиями
з
Kx
±
и
з
x
−
определяют границы полосы
захвата РИЧД, они являются решениями уравнения
K
x
x
±
=
+
2
1
2
, причем из най-
денных
четырех
значений
выбираются
наибольшие
по
величине:
1
1
1
2
−
±
=
±
K
K
x
з
.
Перейдем к переменной
0
f
f
y =
, найдем соответствующие
з
x
±
значения
y
1
и
y
2
:
1
4
2
2
2
2,
1
+
±
±
=
Q
x
Q
x
y
з
з
, выбирая решения, положительные по знаку.
Серия РАДИОФИЗИКА. Вып. 2
245
Пример: Пусть
Q
= 20,
K
= 0,5, тогда
x
з
= ±3,73,
y
1
= 0,911,
y
2
= 1,098.
РИЧД с такими параметрами имеет относительно узкую полосу захвата, и в
ряде случаев не будет обеспечиваться беспоисковый режим работы АПЧГ.
Уменьшение
Q
приводит к расширению полосы захвата, но при этом (в основном
из-за воздействия дестабилизирующих факторов) снижается точность автоматиче-
ского регулирования системы АПЧГ.
Если реализовать структуру ЧР с фазовым детектированием на элементах с
распределенными параметрами, то характер кривой
D(y)
не изменится, но поя-
вится (из-за частотной зависимости параметров мостового устройства) асиммет-
рия, одна из полос захвата будет расширяться, другая — сужаться, образуя второй
(ложный) нуль характеристики.
В данной работе предлагается метод расширения полосы захвата, суть которо-
го заключается в синтезе схемы мостового устройства, имеющего такую частот-
ную зависимость параметров, чтобы осуществить выполнение поставленной зада-
чи.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для синтезируемого моста требуется, чтобы при
f = f
0
(т.е. при
y
= 1)
|S
13(м)
|=|S
14(м)
|, |S
23(м)
|=|S
24(м)
|,
где
S
ij(м)
— параметры синтезируемого моста, и в
некотором частотном диапазоне, соответствующем требуемой полосе захвата,
величина
∆
1
=|S
13(м)
|
2
–|S
14(м)
|
2
монотонно возрастала, а величина
∆
2
=|S
23(м)
|
2
–
–|S
24(м)
|
2
монотонно убывала (или наоборот).
Предлагается простой, но достаточно эффективный метод решения задачи —
выполнение мостового устройства в виде соединения двух 3-децибельных направ-
ленных ответвителей и фазовращающего отрезка линии передачи. Структурная
схема ЧР с синтезированным мостом (его звенья обведены пунктиром) приведена
на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема ЧР: 1, 4, 6 – 3 дБ направленный ответвитель;
2 – фазовращающая цепь; 3 – проходной резонатор;
5 – фазовращающий отрезок линии передачи
Данная схема содержит 3 дБ направленный ответвитель 1 (включенный как де-
литель мощности), фазовращающую цепь 2, проходной резонатор 3 и синтезиро-
ванный мост, в состав которого входят два 3 дБ направленных ответвителя 4,6 и
фазовращающий отрезок линии передачи 5. Если принебречь частотной зависи-
Выход
Синтезированный мост
2
3
4
5
2
1
Вход
3
4
6
1
Выход
Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского
246
мостью параметров ответвителей, то выражение для S-параметров моста будут
иметь вид:
( )
( )
(
)
5
1
2
1
24
13
θ
j
м
м
e
S
S
−
−
=
−
=
,
(3)
( )
( )
(
)
5
1
2
23
14
θ
j
м
м
e
j
S
S
−
+
=
=
,
(4)
где
θ
5
— электрическая длина фазовращающего отрезка линии передачи (звена 5)
(остальные
S
ij
= 0
). При этом
5
1
cos
θ
∆
=
,
5
2
cos
θ
∆
−
=
,
(5)
и если при
1
=
y
(
)
o
90
1
2
5
⋅
+
= n
θ
,
(6)
где
n
— любое целое число или нуль, то на границах монотонности изменения
∆
1
и
∆
2
o
180
5
⋅
=
′ n
θ
(нижняя граница монотонности);
1
,1
2
1
m
=
±
=
∆
∆
;
(
)
o
180
1
5
⋅
+
=′
′
n
θ
(верхняя граница монотонности);
1
,1
2
1
±
=
=
∆
∆
m
o
180
2
5
5
=
′
−′′
=
θ
θ
θ∆
,
1
2
2
2
5
+
=
n
θ
θ
∆
, что соответствует полосе по пере-
менной
1
2
1
1
+
±
=
n
y
.
(7)
При
n = 1
эта полоса находится в пределах 1±0,333, что удовлетворяет требо-
ваниям к РИЧД беспоисковых схем АПЧГ для большинства случаев практическо-
го применения.
При
y = 1
синтезированный мост является синфазно-противофазным.
Если учесть частотную зависимость параметров 3 дБ направленных ответвите-
лей, выполненных на отрезках связанных линий передачи [5], то выражения для
S
-параметров моста будут иметь вид:
( )
(
)
5
2
2
13
sin
1
sin
1
1
θ
θ
θ
j
м
e
S
−
⋅
−
+
=
,
(8)
Серия РАДИОФИЗИКА. Вып. 2
247
( )
( )
(
)
5
1
sin
1
sin
2
23
14
θ
θ
θ
j
м
м
e
j
S
S
+
+
=
=
,
(9)
( )
(
)
θ
θ
θ
2
2
24
sin
sin
1
1
5
−
+
=
− j
м
e
S
,
(10)
где
θ
— электрическая длина области связи ответвителей.
Используя известные методы [6], нетрудно вывести выражения для
S
21
и
S
31
схемы ЧР:
S
21
=S
12
=S
13(1)
⋅S
13(м)
⋅S
12(2)
+S
14(1)
⋅S
23(м)
⋅S
12(3)
,
(11)
S
31
=S
13
=S
13(1)
⋅S
14(м)
⋅S
12(2)
+S
14(1)
⋅S
24(м)
⋅S
12(3)
,
(12)
где индексы (1), (2), (3) относятся к элементам схемы 1, 2, 3 соответственно, а
индекс (м) — к синтезированному мосту. Полученным выражением можно поль-
зоваться при анализе кривой
D(y)
.
Согласно схеме рис. 1 разработан и изготовлен экспериментальный образец
РИЧД с ЧР в микрополосковом исполнении (3 дБ ответвители — тандемные [7],
резонатор — полуволновой с индуктивными связями [5],
Q
= 20,
η
= 1, подлож-
ка — поликор с толщиной 0,5 мм). Принципиальная схема РИЧД приведена на
рис. 2 (схема ЧР обведена пунктиром).
Рис. 2. Принципиальная схема РИЧД: VD1, VD2 – диод КА118А-6; VD3 — диод КД103А;
DA1, DA2, DA3, DA4, DA6 — микросхема (операционный усилитель) AD825;
DA5 — микросхема ADG419 (электронный ключ); DA7 — микросхема AD8561
(компаратор); 3 дБ — тандемный 3 дБ ответвитель; ФЦ — фазосдвигающая цепь;
Рез — резонатор с индуктивными связями; ФВ — фазовращающий отрезок линии
передачи; шл. — разомкнутый шлейф λ/4
Вход
СВЧ
Зд Б
ФЦ
Рез
Зд Б
ФВ
Зд Б
шл.
шл.
VD1
VD2
-5В
+5В
DA1
-5В
+5В
DA2
-5В
VT1
VT2
+5В
-5В
+5В
DA3
-5В
VT3
DA4
Выход
DA6
DA7
+5В
+5В
-5В
VD3
+5В
-5В
-5В
+5В
DA5
3 дБ
3 дБ
3 дБ
Вестник ННГУ им. Н.И. Лобачевского
248
В данной схеме радиоимпульсы, поступающие с выходов ЧР, детектируются
диодами VD1, VD2, нагруженными на емкости. Начальный ток диодов (5мкА)
задается резисторами, подключенными к минусу питания. Постоянная времени
заряда емкостей — порядка 2 нс, постоянная разряда — 2 мкс, таким образом
происходит удлинение огибающей радиоимпульсов [4], что требуется для устой-
чивой работы устройства выборки-хранения (УВХ) при малой длительности ра-
диоимпульсов (менее 100 нс). Видеоимпульсы поступают через буферные усили-
тели (DA1, DA2) с высоким входным сопротивлением на входы дифференциаль-
ного усилителя-ограничителя, выполненного на транзисторах VT1, VT2, разност-
ное напряжение снимается с коллекторной нагрузки VT2 и через буферный каскад
(DA3) проходит на УВХ, представляющее собой электронный ключ (DA5), откры-
тый на время действия импульса (емкость на выходе ключа заряжается или разря-
жается) и закрытый в паузе (напряжение на емкости сохраняет величину). Выход-
ной каскад РИЧД — буферный усилитель с высоким входным сопротивлением
(DA4). Импульсы выборки, управляющие работой УВХ, формируются следую-
щим образом: с эмиттерной нагрузки дифференциального усилителя (генератора
стабильного тока, выполненного на транзисторе VT3) суммарное импульсное на-
пряжение поступает на компаратор (DA4), вырабатывающий импульсы с ампли-
тудой ТТЛ и длительностью 200 нс, которые подаются на вход управления DA5.
Результаты измерений параметров экспериментального образца РИЧД, прове-
денных при импульсной входной мощности 5мВт, длительности радиоимпульсов
30 нс и частоте повторения 1кГц, показали, что полоса захвата находится в преде-
лах от
y
= 0,36 до
y
= 1,54.
Произведем грубую расчетную оценку полосы захвата согласно формулам (5),
(6) при
η
= 1 с учетом заданной величины
K
= 0,5, полагая, что при больших ве-
личинах частотной расстройки мощность поступает только на вход 1 синтезиро-
ванного моста. При этом
|
∆
1
|=|
∆
2
|=0,5, 2
∆θ
=300°,
111
,1
2
5
=
θ
θ
∆
, что соответ-
ствует полосе захвата по переменной
y
= 1±0,555 (т.е.
y
1
= 0,445,
y
2
= 1,555).
Измеренная величина полосы захвата оказалась достаточно близкой к расчет-
ной, асимметрия характеристики (нижняя полоса захвата больше верхней) обу-
словлена частотной зависимостью параметров Зд Б направленных ответвителей.
Практическое применение описанной схемы РИЧД позволит проектировать
беспоисковые системы АПЧГ радиоимпульсных приемо-передающих устройств.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бычков С.И., Буренин Н.И., Сафаров Р.Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. М.:
Сов. радио, 1962.
2. Первачев С.В. Радиоавтоматика. М.: Радио и связь, 1982.
3. Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых
ИС. М.: Радио и связь, 1981.
4. Капланов М.Р., Левин В.А. Автоматическая подстройка частоты. М.: Радио и связь, 1962.
5. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной
техникиСВЧ. М.: Сов. радио, 1967.
6. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств: Пер. с англ.
М.: Радио и связь, 1987.
7. Справочник по элементам полосковой техники / Под ред. А.Л. Фельдштейна. М.: Связь,
1979.
Информация о работе Радиоимпульсный частотный дискриминатор