RU2354039C1 - Method for modulation of amplitude and phase of radio frequency signals and device for its realisation - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: radio frequency harmonic signal is sent to modulator input, modulator is made of reactive quadripole, bipolar controlled element connected to source of low-frequency control signal, quadripole is made of dipoles, at that bipolar controlled element is connected between signal source and quadripole input into transverse circuit, load with complex resistance is connected to quadripole output for line modulated radio frequency signals, resistance of signal source is selected as complex, number of dipoles is selected as at least three, values of reactive element parameters that shape quadripole dipoles are selected so that preset value of phases φ_1,2 of transfer coefficients are provided in the first and second conditions, as well as preset values of modules m₁, m₂ of transfer ratio in the first and second conditions of controlled element, and also provided that value of actual component of load conductivity is determined, when physical performability of quadripole is provided, at that specified conditions are realised by preset mathematical expressions. Device for modulation of amplitude and phase of radio frequency signals is designed for realisation of above described method.

EFFECT: provision of line signal amplitude and phase manipulation in two conditions of controlled element at controlled module and phase of transfer ratio in every condition.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к радиосвязи и может быть использовано для формирования требуемых АЧХ и ФЧХ фазоманипулированных, амплитудно-манипулированных, а также амплитудно-фазоманипулированных сигналов в заданной полосе частот и преобразовании частоты (переноса спектра входного сигнала по оси частот).The invention relates to radio communications and can be used to generate the required frequency response and phase response of phase-manipulated, amplitude-manipulated, as well as amplitude-phase-shifted signals in a given frequency band and frequency conversion (transfer of the spectrum of the input signal along the frequency axis).

Известен способ манипуляции (модуляции) параметров отраженного сигнала, состоящий в том, что входное сопротивление устройства манипуляции изменяют таким образом, что коэффициент отражения этого устройства изменяет фазу на π, π/2, π/4, причем для разделения входного и отраженного сигнала используют циркулятор [Радиопередающие устройства. /Под редакцией Челнокова О.А. - М.: Радио и связь, 1982, стр.152-156]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из циркулятора, первый вход которого подключен к источнику сигнала, третий вход подключен к нагрузке, а второй подключен к отрезку разомкнутой линии передачи длиной λ/4, вначале которой включен p-i-n диод.A known method of manipulation (modulation) of the parameters of the reflected signal, consisting in the fact that the input resistance of the manipulation device is changed so that the reflection coefficient of this device changes the phase by π, π / 2, π / 4, and a circulator is used to separate the input and reflected signal [Radio transmitting devices. / Edited by Chelnokova O.A. - M.: Radio and Communications, 1982, p. 152-156]. A device for implementing this method is known [ibid.], Consisting of a circulator, the first input of which is connected to a signal source, the third input is connected to a load, and the second is connected to a piece of an open transmission line of length λ / 4, at the beginning of which a p-i-n diode is turned on.

Если диод закрыт, то от сечения, в котором он включен, происходит отражение, отраженная волна попадает в нагрузку с сопротивлением 50 Ом. Если диод открыт, то отражение происходит от конца линии. Фаза отраженного сигнала в одном состоянии диода отличается от фазы отраженного сигнала в другом состоянии диода на π. При необходимости изменения разности фаз длина отрезка линии передачи изменяется соответствующим образом.If the diode is closed, then reflection occurs from the cross section in which it is turned on, the reflected wave enters the load with a resistance of 50 Ohms. If the diode is open, then reflection occurs from the end of the line. The phase of the reflected signal in one state of the diode differs from the phase of the reflected signal in the other state of the diode by π. If necessary, change the phase difference, the length of the length of the transmission line is changed accordingly.

Недостатком этого способа и устройства его реализации является то, что в двух состояниях диода изменяется только фаза отраженного сигнала, причем заданные значения разности фаз отраженного сигнала в двух состояниях диода обеспечиваются только на одной фиксированной частоте. Другим недостатком является постоянство амплитуды отраженного сигнала в двух состояниях диода, то есть отсутствие манипуляции амплитуды, что сужает функциональные возможности. Например, это не позволяет обеспечить два канала радиосвязи на одной несущей частоте (один канал можно образовать с помощью манипуляции амплитуды, а другой с помощью манипуляции фазы или не позволяет обеспечить кодировку передаваемой информации). Третьим недостатком следует считать большие массы и габариты, связанные с необходимостью использования отрезков линии передачи. Четвертым недостатком является то, что устройство манипуляции, состоящее из управляемой и неуправляемой частей, включается между источником сигнала и нагрузкой, которые имеют определенные значения сопротивлений. Источник сигнала имеет чисто действительное сопротивление (второй вход). Нагрузка для отраженного сигнала (третий вход) имеет также действительное сопротивление. Манипулятор подключен к разомкнутой (бесконечное сопротивление) или к замкнутой (нулевое сопротивление) линии передачи. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала. Основным недостатком является отсутствие возможности усиления сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях.The disadvantage of this method and device for its implementation is that in the two states of the diode only the phase of the reflected signal changes, and the set values of the phase difference of the reflected signal in the two states of the diode are provided only at one fixed frequency. Another disadvantage is the constancy of the amplitude of the reflected signal in two states of the diode, that is, the absence of amplitude manipulation, which narrows the functionality. For example, this does not allow providing two radio communication channels on the same carrier frequency (one channel can be formed by amplitude manipulation, and the other by phase manipulation or it is not possible to encode the transmitted information). The third disadvantage should be considered large masses and dimensions associated with the need to use segments of the transmission line. The fourth disadvantage is that the manipulation device, consisting of controlled and uncontrolled parts, is connected between the signal source and the load, which have certain resistance values. The signal source has a purely real resistance (second input). The load for the reflected signal (third input) also has a real resistance. The manipulator is connected to an open (infinite resistance) or to a closed (zero resistance) transmission line. Another important disadvantage is that this method and this device do not provide manipulation of the amplitude and phase of the transmitted signal. The main disadvantage is the lack of the possibility of amplifying a signal with a given gain in two states.

Известен способ манипуляции фазы отраженного сигнала, основанный на использовании двухимпедансных устройств СВЧ [В. Г. Соколинский, В. Г. Шейнкман. Частотные и фазовые модуляторы и манипуляторы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.146-158]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из определенного количества реактивных элементов типа L, С, параметры которых выбраны из условия обеспечения требуемой произвольной разности фаз коэффициента отражения.A known method of manipulating the phase of the reflected signal, based on the use of two-impedance microwave devices [V. G. Sokolinsky, V. G. Sheinkman. Frequency and phase modulators and manipulators. - M.: Radio and Communications, 1983, p. 146-158]. A device for implementing this method is known [ibid.], Consisting of a certain number of reactive elements of type L, C, the parameters of which are selected from the condition for providing the desired arbitrary phase difference of the reflection coefficient.

По сравнению с предыдущим способом и устройством данный способ и устройство его реализации не требуют использования полупроводниковых диодов только в открытом и только закрытом состояниях. При любых состояниях диодов, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего воздействия, при определенных значениях параметров типа L, С может быть обеспечено заданное значение разности фаз отраженного сигнала на фиксированной частоте. Если амплитуда управляющего низкочастотного сигнала между указанными двумя уровнями изменяется непрерывно, то обеспечивается модуляция.Compared with the previous method and device, this method and device for its implementation do not require the use of semiconductor diodes only in open and only closed states. For any diode states defined by two levels of low-frequency control action, for certain values of parameters of type L, C, a predetermined value of the phase difference of the reflected signal at a fixed frequency can be provided. If the amplitude of the control low-frequency signal between these two levels changes continuously, then modulation is ensured.

Недостатком является то, что, как и первый способ и устройство, манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы и не усиливают амплитуду проходного сигнала с заданными коэффициентами усиления в двух состояниях.The disadvantage is that, like the first method and device, the manipulator can only be included between certain resistances. Another important disadvantage is that this method and this device do not provide manipulation of the amplitude and phase and do not enhance the amplitude of the transmitted signal with the given amplification factors in two states.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ [Головков А.А. Устройство для модуляции отраженного сигнала. Авт. св-во № 1800579 от 09.10 1992 года], состоящий в том, что неуправляемую часть (согласующефильтрующее устройство) формирует из определенным образом соединенных между собой двухполюсников, сопротивление каждого двухполюсника выбирают из условия обеспечения одинакового заданного двухуровневого закона изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала при изменении управляемого элемента из одного состояния в другое под действием управляющего низкочастотного напряжения или тока.The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is the method [A. Golovkov A device for modulating the reflected signal. Auth. certificate No. 1800579 dated October 9, 1992], consisting in the fact that the uncontrolled part (matching filtering device) forms from two-terminal devices connected in a certain way, the resistance of each two-terminal device is selected from the condition of ensuring the same predetermined two-level law of change in the amplitude and phase of the reflected signal when changing a controlled element from one state to another under the influence of a control low-frequency voltage or current.

Известно устройство (прототип) реализации способа [там же], содержащее циркулятор, первое и третье плечи которого являются СВЧ входом и выходом, а во второе плечо включены реактивный четырехполюсник и полупроводниковый диод, подключенный к источнику низкочастотного управляющего воздействия, при этом четерехполюсник выполнен в виде Т-образного соединения двухполюсников со значениями реактивных сопротивлений, которые выбраны из условия обеспечения требуемых законов двухуровневого изменения амплитуды и фазы отраженного сигнала на двух заданных частотах. Так же, как и в предыдущем способе и устройстве реализации, возможна модуляция фазы и амплитуды, если управляющий сигнал изменяется непрерывно.A device (prototype) is known for implementing the method [ibid.], Comprising a circulator, the first and third arms of which are a microwave input and output, and a reactive four-terminal and a semiconductor diode connected to a source of low-frequency control action are included in the second shoulder, while the four-terminal is made in the form T-shaped connection of two-terminal with reactance values, which are selected from the conditions for ensuring the required laws of two-level changes in the amplitude and phase of the reflected signal on two given frequencies. As in the previous method and implementation device, phase and amplitude modulation is possible if the control signal changes continuously.

Недостатком является то, что, как и в первых двух способах и устройствах, манипулятор может быть включен только между определенными сопротивлениями. Следующим важным недостатком является то, что данный способ и данное устройство не обеспечивают манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала в двух состояниях. Третьим важным недостатком является то, что значения модулей и фаз в каждом из состояний не контролируются. Известно лишь отношение модулей и разность фаз.The disadvantage is that, as in the first two methods and devices, the manipulator can only be included between certain resistances. Another important disadvantage is that this method and this device do not provide manipulation of the amplitude and phase of the transmitted signal in two states. The third important drawback is that the values of the modules and phases in each of the states are not controlled. Only the ratio of the modules and the phase difference are known.

Техническим результатом изобретения является обеспечение манипуляции амплитуды и фазы проходного сигнала в двух состояниях управляемого элемента при контролируемых модуле и фазе коэффициента передачи в каждом из состояний, с использованием реактивных элементов в согласующих четырехполюсниках и включении манипулятора между источником сигнала и нагрузкой с комплексными сопротивлениями.The technical result of the invention is the provision of manipulation of the amplitude and phase of the transmitted signal in two states of the controlled element with a controlled module and phase of the transmission coefficient in each of the states, using reactive elements in matching four-terminal devices and turning on the manipulator between the signal source and the load with complex resistances.

1. Указанный результат достигается тем, что в способе модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов, состоящем в том, что на вход модулятора подают радиочастотный гармонический сигнал, модулятор выполняют из реактивного четырехполюсника, двухполюсного управляемого элемента, соединенного с источником низкочастотного управляющего сигнала, четырехполюсник выполняют из числа двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбраны из условия обеспечения требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала, дополнительно двухполюсный управляемый элемент включают между источником сигнала и входом четырехполюсника в поперечную (параллельно) цепь, к выходу четырехполюсника подключают нагрузку с комплексным сопротивлением для проходных модулированных радиочастотных сигналов, сопротивление источника сигнала выбирают комплексным, количество двухполюсников выбирают не меньше трех, значения параметров реактивных элементов, формирующих двухполюсники четырехполюсника, выбирают из условия обеспечения заданных значений фаз φ_1,2 коэффициентов передачи в первом и втором состояниях и заданных значений модулей m₁, m₂ коэффициента передачи в первом и втором состояниях, а также из условия определения значения действительной составляющей проводимости нагрузки 1. The specified result is achieved by the fact that in the method of modulating the amplitude and phase of the radio frequency signals, which consists in the fact that the radio frequency harmonic signal is supplied to the modulator input, the modulator is made of a reactive four-terminal device, a two-pole controlled element connected to a source of a low-frequency control signal, and the four-terminal device is made of the number of two-terminal networks, at least two, whose parameter values are selected from the condition for ensuring the required amplitude-frequency and phase-frequency characteristics in the state of the controlled element, determined by two levels of the low-frequency control signal, an additional bipolar controlled element is connected between the signal source and the input of the four-terminal network in a transverse (parallel) circuit, the load with complex resistance for pass-through modulated radio-frequency signals is connected to the output of the four-terminal network, the signal source resistance is selected to be complex, the number of two-terminal devices is chosen at least three, the values of the parameters of the reactive elements forming two-terminal networks of a four-terminal network, choose from the condition of providing the specified phase values φ _1,2 the transmission coefficients in the first and second states and the specified values of the modulus m ₁ , m ₂ transmission coefficient in the first and second states, and also from the condition for determining the value of the actual component of the load conductivity

g_н, при котором обеспечивается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом указанные условия реализуются следующими математическими выражениями:g _n , in which the physical realizability of the four-terminal network is provided, while the indicated conditions are realized by the following mathematical expressions:

где

Where

- элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g₀, b₀ - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; b_н - заданное значение мнимой составляющей проводимости нагрузки; g_1,2, b_{1,2 -} заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала.

- elements of the classical quadrupole transmission matrix; g ₀ , b ₀ - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the signal source; b _n - the specified value of the imaginary component of the conductivity of the load; g _1,2 , b _{1,2 -} set values of the real and imaginary components of the conductivity of the two-electrode controlled element in two states, determined by two levels of the low-frequency control signal.

2. Указанный результат достигается тем, что в устройстве модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов, состоящем из двухполюсного управляемого элемента, реактивного четырехполюсника, выполненного из числа двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбраны из условия обеспечения требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, подключенного к источнику низкочастотного управляющего сигнала, дополнительно четырехполюсник выполнен из двухполюсников, количество которых выбрано не меньше трех, управляемый элемент включен между источником радиочастотных сигналов и входом реактивного четырехполюсника в поперечную цепь, к выходу четырехполюсника подключена нагрузка с комплексным сопротивлением для проходных модулированных по амплитуде и фазе радиочастотных сигналов, четырехполюсник выполнен из пяти двухполюсников в виде каскадно-соединенных Г-образного звена из двух двухполюсников с реактивными сопротивлениями х₁, х₂ и П-образного звена из трех двухполюсников с реактивными сопротивлениями х₃, х₄, х₅, при этом значения сопротивлений двухполюсников, формирующих четырехполюсник, выбраны из условий обеспечения требуемых значений фазы (φ₁, φ₂) и модулей (m₁, m₂) коэффициентов передачи в первом и втором состояниях, определяемых двумя крайними значениями низкочастотного управляющего сигнала, а также из условия определения значения действительной составляющей проводимости нагрузки g_н, при котором достигается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом сопротивления двухполюсников и перечисленные условия в математической форме определяются следующим образом:2. The indicated result is achieved by the fact that in the device for modulating the amplitude and phase of the radio frequency signals, consisting of a bipolar controlled element, a reactive four-terminal, made up of at least two two-terminal, the parameter values of which are selected from the conditions for ensuring the required amplitude-frequency and phase-frequency characteristics in two states of the controlled element connected to the source of the low-frequency control signal, in addition, the four-terminal is made of two-terminal At least three of which are selected, the controlled element is connected between the source of the radio frequency signals and the input of the reactive four-terminal into the transverse circuit, the load with complex resistance is connected to the output of the four-terminal, for pass-through radio-frequency signals modulated in amplitude and phase, the four-terminal is made of five two-terminal in the form of cascade-connected L-shaped link of the two-terminal to two reactances x _1, x ₂ and U-shaped link of the three two-terminal reactive with opposing s x _3, x _4, x _5, wherein the resistance values two-terminal forming quadripole, selected to provide the desired phase values (φ _1, φ ₂₎ and module (m _1, m ₂₎ transmission coefficients in the first and second states, defined by the two extreme values of the low-frequency control signal, as well as conditions for determining the load values of the real component of the conduction g _n, at which the physical realizability of the quadrupole, the two-terminal resistance and conditions listed in the mat aticheskoy form defined as follows:

где

Where

- элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g₀, b₀ - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; b_н - заданное значение мнимой составляющей проводимости нагрузки; g_1,2, b_1,2 - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала.

- elements of the classical quadrupole transmission matrix; g ₀ , b ₀ - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the signal source; b _n - the specified value of the imaginary component of the conductivity of the load; g _1,2 , b _1,2 - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the two-electrode controlled element in two states, determined by two levels of the low-frequency control signal.

На фиг.1 показана схема устройства модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов (прототип).Figure 1 shows a diagram of a device for modulating the amplitude and phase of radio frequency signals (prototype).

На фиг.2 показана структурная схема предлагаемого устройства по п.2.Figure 2 shows the structural diagram of the proposed device according to claim 2.

На фиг.3 приведена схема четырехполюсника по п.3, входящая в предлагаемое устройство.Figure 3 shows the diagram of the four-terminal network according to claim 3, which is included in the proposed device.

Устройство-прототип содержит циркулятор 1 с входным 2, нагрузочным 3 и выходным 4 плечами, три двухполюсника с реактивными сопротивлениями х x₁ - 5, х₂ - 6, x₃ - 7, соединенных между собой по Т-схеме, а также полупроводниковый диод 8, подключенный параллельно к источнику сигнала модуляции 9. Двухполюсник 7 подключен к диоду 8, двухполюсник 5 - к нагрузочному плечу 3 циркулятора 1.The prototype device contains a circulator 1 with input 2, load 3 and output 4 shoulders, three two-terminal with reactance x x ₁ - 5, x ₂ - 6, x ₃ - 7, interconnected by a T-circuit, as well as a semiconductor diode 8, connected in parallel to the modulation signal source 9. The two-terminal 7 is connected to the diode 8, the two-terminal 5 is connected to the load arm 3 of the circulator 1.

Принцип действия устройства манипуляции параметров сигнала (прототип) состоит в следующем.The principle of operation of a device for manipulating signal parameters (prototype) is as follows.

Высокочастотный сигнал от источника (на фигуре 1 не показан) через входное плечо 2 циркулятора 1 поступает в нагрузочное плечо 3. В результате взаимодействия пришедшего сигнала с реактивными элементами и диодом и благодаря специальному выбору значений реактивных элементов двухполюсников, значения фаз и амплитуд отраженных сигналов на двух частотах оказывается такими, что в результате их интерференции на выходное плечо 4 циркулятора 1 поступают сигналы, амплитуда и фаза которых в одном состоянии диода 8, определяемом одним крайним значением сигнала модуляции источника 9, отличаются от амплитуды и фазы этих сигналов в другом состоянии диода 8 на заданные величины на соответствующих двух частотах. Максимальная девиация фазы может составлять 360°, минимальная - ноль, максимальное отношение амплитуд равно ∞. Отношения модулей и разности фаз коэффициента отражения реализуются на обеих частотах одинаковыми. Абсолютные значения модулей и фаз коэффициента отражения и коэффициента передачи неизвестны (не контролируются).The high-frequency signal from the source (not shown in FIG. 1) through the input arm 2 of the circulator 1 enters the load arm 3. As a result of the interaction of the received signal with the reactive elements and the diode and due to the special choice of the values of the reactive elements of two-terminal devices, the values of the phases and amplitudes of the reflected signals at two frequencies turns out to be such that as a result of their interference, signals are output to the output arm 4 of the circulator 1, the amplitude and phase of which are in the same state of diode 8, determined by one extreme value m of the modulation signal of the source 9, differ from the amplitude and phase of these signals in the other state of the diode 8 by specified values at the corresponding two frequencies. The maximum phase deviation can be 360 °, the minimum is zero, and the maximum amplitude ratio is ∞. The ratios of the modules and the phase difference of the reflection coefficient are realized at the same frequencies at both frequencies. The absolute values of the modules and phases of the reflection coefficient and transmission coefficient are unknown (not controlled).

Высокочастотная часть структурной схемы обобщенного предлагаемого устройства по п.2 (фиг.2) состоит из каскадно-соединенных источника сигнала с сопротивлением Z₀=r₀+jx₀ 10, двухполюсного управляемого элемента 8 с сопротивлениями Z_1,2=r_1,2+jx_1,2 в двух состояниях, определяемых на заданной высокой частоте двумя уровнями низкочастотного управляющего воздействия, реактивного четырехполюсника 11 и нагрузки 12 с сопротивлением Z_H=r_H+jx_H.The high-frequency part of the structural diagram of the generalized proposed device according to claim 2 (figure 2) consists of a cascade-connected signal source with resistance Z ₀ = r ₀ + jx ₀ 10, a bipolar controlled element 8 with resistances Z _1,2 = r _1,2 + jx _1,2 in two states determined at a given high frequency by two levels of low-frequency control action, a reactive four-terminal 11 and load 12 with a resistance of Z _H = r _H + jx _H.

Предлагаемое устройство модуляции параметров радиочастотных сигнала по п.2 (фиг.2) содержит источник радиочастотных сигналов 10, управляемый двухполюсный элемент 8, подключенный к источнику низкочастотного управляющего сигнала (сигнала модуляции) 9, а также реактивный четырехполюсник 11, выполненный (фиг.3) в виде каскадно-соединенных между собой Г-образного звена из двух двухполюсников с сопротивлениями х₁(5), x₂(6) и П-образного звена с сопротивлениями х₃(7), х₄(13), х₅(14). Управляемый элемент 8 включен параллельно между источником сигнала 10 и двухполюсником 5, т.е. входом реактивного четырехполюсника 11. Средняя точка между двухполюсником 13 и двухполюсником 14 подключена к нагрузке 12.The proposed device for modulating the parameters of the radio frequency signal according to claim 2 (figure 2) contains a source of radio frequency signals 10, a controlled bipolar element 8 connected to a source of a low-frequency control signal (modulation signal) 9, as well as a reactive four-terminal 11, made (figure 3) in the form of a cascade-connected G-shaped link of two two-terminal networks with resistances x ₁ (5), x ₂ (6) and a U-shaped link with resistances x ₃ (7), x ₄ (13), x ₅ (14 ) The controlled element 8 is connected in parallel between the signal source 10 and the two-terminal 5, i.e. the input of the reactive four-terminal 11. The midpoint between the two-terminal 13 and the two-terminal 14 is connected to the load 12.

Это устройство функционирует следующим образом. Благодаря специальному выбору количества реактивных элементов двухполюсников 5, 6, 7, 13, 14 (фиг.3), схемы их соединений и значений их параметров при переключении управляющего (модулирующего) сигнала на управляемом двухполюсном элементе из одного уровня на другой будут реализованы заданные значения модулей и фаз коэффициентов передачи в этих двух состояниях. Модули входного сигнала и коэффициента передачи перемножаются, а их фазы складываются. Следовательно, выходной сигнал будет изменяться по закону изменения коэффициента передачи.This device operates as follows. Due to the special choice of the number of reactive elements of two-terminal 5, 6, 7, 13, 14 (Fig. 3), their connection diagrams and their parameter values when switching a control (modulating) signal on a controlled two-pole element from one level to another, the given module values will be realized and phases of transmission coefficients in these two states. The input and gain modules are multiplied, and their phases are added up. Therefore, the output signal will change according to the law of change of the transmission coefficient.

При непрерывном изменении амплитуды управляющего сигнала будет реализована модуляция проходного сигналов по амплитуде и фазе. Сопротивления х₁, х₃, х₅ определяются аналитически по найденным математическим выражениям однозначно. При этом значения этих сопротивлений функциональным образом зависят от произвольно выбираемых значений сопротивлений х₂, х₄ или выбираемых исходя из каких-либо других физических соображений. В предлагаемом изобретении значения сопротивлений х₂, х₄ выбирается из условий обеспечения физически реализуемых значений х₁, х₃, х₅, поскольку всегда желательно получить оптимальное расчетное значение сопротивления, которое бы реализовывалось значением индуктивности или емкости, близким к номинальному, выпускаемому промышленностью.With a continuous change in the amplitude of the control signal, modulation of the transmitted signals in amplitude and phase will be implemented. Resistance x ₁ , x ₃ , x _{5 are} determined analytically by the found mathematical expressions uniquely. Moreover, the values of these resistances functionally depend on arbitrarily selected resistance values x ₂ , x ₄ or selected based on any other physical considerations. In the present invention, the resistance values x ₂ , x _{4 are} selected from the conditions for providing physically feasible values x ₁ , x ₃ , x ₅ , since it is always desirable to obtain the optimal calculated value of the resistance, which would be realized by the value of inductance or capacitance close to the nominal manufactured by the industry.

Значения сопротивлений х₁,х₃,х₅ двухполюсников 5, 7, 14, кроме того зависят от оптимальных значений элементов матрицы передачи четырехполюсника и заданных комплексных сопротивлений (проводимостей) источника сигнала и нагрузки.The values of the resistances x ₁ , x ₃ , x _{5 of the} two-terminal networks 5, 7, 14, in addition, depend on the optimal values of the elements of the transmission matrix of the four-terminal network and the given complex resistances (conductivities) of the signal source and load.

Докажем возможность реализации указанных свойств.Let us prove the feasibility of implementing these properties.

Пусть на фиксированной частоте известны сопротивления источника сигнала Z₀=r₀+jx₀, нагрузки Z_H=r_H+jx_H и управляемого элемента Z_1,2=r_1,2+jx_1,2 в двух состояниях, определяемых уровнями управляющего воздействия.Let the resistance of the signal source Z ₀ = r ₀ + jx ₀ , the load Z _H = r _H + jx _H and the controlled element Z _1,2 = r _1,2 + jx _1,2 in two states determined by the levels of the control exposure.

Требуется определить минимальное количество элементов и значения параметров схемы СФУ (реактивного четырехполюсника РЧ), при которых в заданных состояниях управляемого элемента обеспечивались бы заданные значения модулей m_1,2 и фаз φ_1,2 коэффициента передачи:It is required to determine the minimum number of elements and the values of the parameters of the SFU circuit (reactive four-terminal RF), at which, in the given states of the controlled element, the given values of the modules m _1,2 and phases φ _{1,2 of} the transmission coefficient would be provided:

Глубина амплитудной модуляции М и девиация фазы Δφ амплитудно-фазомодулированного сигнала определяются известными выражениями:The depth of the amplitude modulation M and the phase deviation Δφ of the amplitude-phase modulated signal are determined by well-known expressions:

.

.

При М=0 имеем чисто фазовую модуляцию, а при Δφ=0 - амплитудную.At M = 0, we have pure phase modulation, and at Δφ = 0, we have amplitude modulation.

Таким образом, с учетом условия взаимности (х₁₂=-x₂₁) СФУ может характеризоваться матрицей сопротивленияThus, taking into account the reciprocity condition (x ₁₂ = -x ₂₁ ), the SFU can be characterized by a resistance matrix

и соответствующей классической матрицей передачи:and the corresponding classical transfer matrix:

где

- определитель матрицы (2).Where

is the determinant of the matrix (2).

Управляемый элемент в первом и втором состояниях характеризуется следующей матрицей передачи:The controlled element in the first and second states is characterized by the following transfer matrix:

Перемножим матрицы (4 и 3) и с учетом условий нормировки [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с.34-36] получим выражения для нормированных матриц передачи всего устройства в каждом из состояний:We multiply the matrices (4 and 3) and taking into account the normalization conditions [Feldstein A.L., Yavich L.R. Microwave four-terminal and eight-terminal synthesis. M .: Communication, 1971, pp. 34-36] we obtain the expressions for the normalized transfer matrices of the entire device in each of the states:

Используя известные взаимосвязи между элементами матриц передачи и рассеяния [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с 39], получим выражения для коэффициентов передачи:Using the well-known relationships between the elements of the transmission and scattering matrices [Feldstein A.L., Yavich L.R. Microwave four-terminal and eight-terminal synthesis. M .: Communication, 1971, p. 39], we obtain the expression for the transmission coefficients:

Подкоренное выражение в (6) можно представить в виде комплексного числа a₁+jb₁,The radical expression in (6) can be represented as a complex number a ₁ + jb ₁ ,

где

Where

После денормировки коэффициента передачи (6) путем умножения на

последнее выражение изменяется a₁=r_н; b₁=x_н.After denormalizing the transmission coefficient (6) by multiplying by

the last expression changes a ₁ = r _n ; b ₁ = x _n

Денормированный коэффициент передачи связан с физически реализуемой передаточной функцией следующим образом

.The denormalized transmission coefficient is associated with a physically feasible transfer function as follows

.

Поскольку нелинейный элемент включен в поперечную цепь, то в соответствии с принципом дуальности целесообразнее дальнейший материал излагать в терминах проводимостей. Коэффициент передачи определяется следующим образом:Since the nonlinear element is included in the transverse circuit, in accordance with the principle of duality, it is more expedient to state further material in terms of conductivities. The transmission coefficient is determined as follows:

Для получения взаимосвязей, оптимальных по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз коэффициента передачи модулятора в двух состояниях управляемого элемента, подставим (7) в (1) и после разделения действительной и мнимой частей между собой получим систему двух уравнений:To obtain the relationships that are optimal by the criterion for ensuring the given values of the modules and phases of the modulator transmission coefficient in two states of the controlled element, we substitute (7) into (1) and after separating the real and imaginary parts from each other, we obtain a system of two equations:

Решение (8) имеет форму взаимосвязей:

Solution (8) takes the form of relationships:

Взаимосвязи (9), записанные для двух состояний, должны быть попарно равны, поскольку характеризуют один и тот же четырехполюсник. Полученные из этих равенств уравнения совместно не решаются. Поэтому необходимо перейти от взаимосвязей между элементами матрицы сопротивлений к взаимосвязям между элементами классической матрицы передачи:Relations (9) written for two states should be equal in pairs, since they characterize the same four-terminal network. The equations obtained from these equalities are not jointly solved. Therefore, it is necessary to move from the relationships between the elements of the resistance matrix to the relationships between the elements of the classical transmission matrix:

- элементы классической матрицы передачи [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с.39].

- elements of the classical transmission matrix [Feldstein A.L., Yavich L.R. Microwave four-terminal and eight-terminal synthesis. M .: Communication, 1971, p. 39].

Взаимосвязи между элементами классической матрицы передачи, оптимальные по критерию обеспечения заданных значений модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях, имеют вид:The relationship between the elements of the classical transmission matrix, optimal according to the criterion of ensuring the given values of the modules and phases of the transmission coefficients in two states, have the form:

где

Where

Таким образом, все четыре коэффициента α, β, γ, a оказываются строго заданными.Thus, all four coefficients α, β, γ, a turn out to be strictly given.

Однако эти коэффициенты связаны между собой известным условием взаимности четырехполюсника [Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь, 1971, с.14], которое в наших обозначениях имеет следующую форму:However, these coefficients are interconnected by the well-known reciprocity condition of the four-terminal [A. Microwave four-terminal and eight-terminal synthesis. M .: Communication, 1971, p.14], which in our notation has the following form:

Условие (12) накладывает ограничение на одну из величин, входящих в эти коэффициенты, например на значение действительной составляющей проводимости нагрузки:Condition (12) imposes a restriction on one of the quantities included in these coefficients, for example, on the value of the real component of the load conductivity:

где

Where

Выражение (13) обеспечивает условие (12). Поэтому для определения оптимальных значений сопротивлений двухполюсников, формирующих четырехполюсник, достаточно использовать любые три соотношения из четырех (11).Expression (13) provides condition (12). Therefore, to determine the optimal values of the resistances of the two-terminal circuits forming the four-terminal network, it is sufficient to use any three out of four relations (11).

В данной работе используются коэффициенты α, β, γ. Это означает, что количество неуправляемых элементов в четырехполюснике должно быть не менее трех. Значения параметров этих элементов, оптимальных по критерию обеспечения требуемых значений m_1,2, φ_1,2 должны удовлетворять системе трех уравнений, формируемых на основе (11). Для этого необходимо взять пробную схему четырехполюсника, найти матрицу передачи этой схемы и представить ее в следующем виде:In this work, the coefficients α, β, and γ are used. This means that the number of uncontrolled elements in the four-terminal network must be at least three. The values of the parameters of these elements that are optimal according to the criterion of ensuring the required values of m _1,2 , φ _1,2 must satisfy the system of three equations formed on the basis of (11). To do this, you need to take a test circuit of the four-terminal network, find the transfer matrix of this circuit and present it in the following form:

Найденные таким образом элементы α, β, γ, выраженные через параметры схемы, нужно подставить в (11) и решить сформированную систему трех уравнений относительно выбранных трех параметров (например, сопротивлений двухполюсников). Значения остальных параметров могут быть выбраны произвольно или исходя из каких-либо других физических соображений. Эти параметры могут также относиться к управляемой части, то есть участвовать в формировании Z₁, Z₂ (входить в коэффициенты D, Е, F). Выражение (13) определяет значение действительной составляющей проводимости нагрузки, при которой обеспечивается физическая реализуемость четырехполюсника. Все величины m₁, m₂, φ₁, φ₂ задаются исходя из требуемых значений глубины амплитудной модуляции и девиации фазы или из каких-либо других физических соображений. Эти величины на заданной частоте реализуются всегда, если сопротивления двухполюсников, формирующих типовую схему четырехполюсника, выбраны в соответствии с изложенным алгоритмом.The elements α, β, γ found in this way, expressed in terms of the circuit parameters, need to be substituted into (11) and the formed system of three equations should be solved with respect to the selected three parameters (for example, two-terminal resistances). The values of the remaining parameters can be chosen arbitrarily or on the basis of any other physical considerations. These parameters can also relate to the controlled part, that is, participate in the formation of Z ₁ , Z ₂ (included in the coefficients D, E, F). Expression (13) determines the value of the real component of the load conductivity, at which the physical realizability of the four-terminal network is ensured. All values of m ₁ , m ₂ , φ ₁ , φ ₂ are set based on the required values of the depth of the amplitude modulation and phase deviation or from any other physical considerations. These values at a given frequency are always realized if the resistances of the two-terminal circuits forming a typical four-terminal circuit are selected in accordance with the described algorithm.

В соответствии с этим алгоритмом были определены математические выражения для отыскания оптимальных значений сопротивлений двухполюсников типовой схемы четырехполюсника в виде каскадно-соединенных между собой Г-образного звена из двух двухполюсников с сопротивлениями х₁, х₂ и П-образного звена из трех двухполюсников с сопротивлениями х₃, х₄, х₅:In accordance with this algorithm, mathematical expressions were determined to find the optimal values of the resistance of the two-terminal circuits of a typical four-terminal circuit in the form of a cascade-connected L-shaped link from two two-terminal with resistances x ₁ , x ₂ and a U-shaped link from three two-terminal with resistors x ₃ , x ₄ , x ₅ :

После определения значений сопротивлений конкретная схема четырехполюсника формируется следующим образом. Если x_n>0 (n=1, 3, 5 - номер двухполюсника), то это индуктивность

, где f - заданная частота. Если х_n<0, то это емкость

. Подкоренное выражение в (15) в силу условия (12) всегда положительно.After determining the resistance values, a specific four-terminal circuit is formed as follows. If x _n > 0 (n = 1, 3, 5 is the number of the two-terminal network), then this is the inductance

where f is the given frequency. If x _n <0, then this is the capacity

. The radical expression in (15) by virtue of condition (12) is always positive.

Свободные значения сопротивлений х₂, х₄ в (15) выбираются из условия получения значений сопротивлений х₁, х₃, х₅, которые бы обеспечивали значения индуктивностей и емкостей, близких по номиналу к выпускаемым промышленностью.The free values of the resistances x ₂ , x ₄ in (15) are selected from the condition for obtaining the values of the resistances x ₁ , x ₃ , x ₅ , which would provide the values of inductances and capacitances close in nominal value to those produced by the industry.

Предлагаемые технические решения являются новыми, поскольку из общедоступных сведений неизвестно устройство одновременной модуляции амплитуды и фазы, обеспечивающее заданные модули и фазы коэффициентов передачи в двух состояниях двухполюсного управляемого элемента, состоящее из управляемого двухполюсного элемента, включенного в поперечную цепь (параллельно) между источником сигнала и входом реактивного четырехполюсника, причем четырехполюсник выполнен в виде каскадно-соединенных между собой Г-образного звена из двух реактивных двухполюсников и П-образного звена из трех реактивных двухполюсников, параметры которых определены по соответствующим математическим выражениям. При этом значение проводимости нагрузки выбрано оптимальным по критерию обеспечения физической реализуемости. В обоих состояниях управляемого элемента значения модулей и фаз коэффициентов передачи контролируются.The proposed technical solutions are new because it is not known from publicly available information that a device for simultaneous amplitude and phase modulation provides the specified modules and phases of transmission coefficients in two states of a bipolar controlled element, consisting of a controlled bipolar element included in the transverse circuit (parallel) between the signal source and input a four-terminal reactive, and the four-terminal is made in the form of a cascade-connected interconnected L-shaped link of two reactive vukhpolyusnikov and U-shaped link from three reactive bipolar, the parameters of which are determined by the corresponding mathematical expressions. In this case, the value of the conductivity of the load is chosen optimal according to the criterion of ensuring physical feasibility. In both states of the controlled element, the values of the modules and phases of the transmission coefficients are monitored.

Предлагаемые технические решения имеют изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций (выполнение четырехполюсника реактивным в виде указанным выше способом соединенных между собой пяти двухполюсников, выбор значений их параметров из условия обеспечения заданных значений модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях на заданной частоте при изменении состояния управляемого двухполюсного элемента, включенного между источником сигнала и входом реактивного четырехполюсника в поперечную цепь, выбор специальным образом значения действительной составляющей проводимости нагрузки) обеспечивает одновременно манипуляцию амплитуды и фазы проходного сигнала с требуемыми их значениями в двух состояниях и физическую реализуемость.The proposed technical solutions have an inventive step, since it does not explicitly follow from the published scientific data and the known technical solutions that the claimed sequence of operations (performing a four-terminal reactive in the form of the five connected two-terminal devices in the above manner, choosing their parameter values from the conditions for ensuring the given module values and phases of transmission coefficients in two states at a given frequency when the state of a controlled bipolar element changes, li ne between the signal source and the input reactance in transverse quadripole circuit selection specially values of the real component of the load conductivity) provides both amplitude shift keying and phase of the signal flow with the desired values in their two conditions and physical realizability.

Предлагаемые технические решения практически применимы, так как для их реализации могут быть использованы серийно выпускаемые промышленностью полупроводниковые диоды, индуктивности и емкости, сформированные в заявленную схему реактивного четырехполюсника. Значения параметров индуктивностей и емкостей, а также действительной составляющей проводимости нагрузки однозначно могут быть определены с помощью математических выражений, приведенных в формуле изобретения.The proposed technical solutions are practically applicable, since for their implementation semiconductor diodes, inductances and capacitors, commercially available from the industry, formed in the claimed reactive four-terminal circuit can be used. The values of the parameters of inductances and capacitances, as well as the real component of the conductivity of the load can be uniquely determined using mathematical expressions given in the claims.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства заключается в одновременном обеспечении заданных значений модулей и фаз коэффициентов передачи в двух состояниях управляемого элемента, а также манипуляции (модуляции) амплитуды и фазы сигнала по заданному закону с заданной глубиной амплитудной модуляции и девиацией фазы.The technical and economic efficiency of the proposed device consists in simultaneously providing the specified values of the modules and phases of the transmission coefficients in two states of the controlled element, as well as manipulating (modulating) the amplitude and phase of the signal according to a given law with a given amplitude modulation depth and phase deviation.

Claims (2)

1. Способ модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов, состоящий в том, что на вход модулятора подают радиочастотный гармонический сигнал, модулятор выполняют из реактивного четырехполюсника, двухполюсного управляемого элемента, соединенного с источником низкочастотного управляющего сигнала, четырехполюсник выполняют из числа двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбраны из условия обеспечения требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала, отличающийся тем, что двухполюсный управляемый элемент включают между источником сигнала и входом четырехполюсника в поперечную цепь, к выходу четырехполюсника подключают нагрузку с комплексным сопротивлением для проходных модулированных радиочастотных сигналов, сопротивление источника сигнала выбирают комплексным, количество двухполюсников выбирают не меньше трех, значения параметров реактивных элементов, формирующих двухполюсники четырехполюсника, выбирают из условия обеспечения заданных значений фаз φ_1,2 коэффициентов передачи в первом и втором состояниях и заданных значений модулей m₁, m₂ коэффициента передачи во втором состоянии, а также из условия определения значения действительной составляющей проводимости нагрузки, при котором обеспечивается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом указанные условия реализуются следующими математическими выражениями:

a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g₀, b₀ - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; b_H - заданное значение мнимой составляющей проводимости нагрузки; g_1,2, b_1,2 - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала.1. The method of modulating the amplitude and phase of the radio frequency signals, which consists in the fact that a radio frequency harmonic signal is supplied to the input of the modulator, the modulator is made of a reactive four-terminal device, a two-pole controlled element connected to a source of a low-frequency control signal, a four-terminal device is made of at least two two-terminal devices, the values of the parameters of which are selected from the condition for ensuring the required amplitude-frequency and phase-frequency characteristics in two states of the controlled element, determine separated by two levels of the low-frequency control signal, characterized in that the bipolar controlled element is connected between the signal source and the input of the four-terminal into the transverse circuit, the load with complex resistance for the transmitted modulated radio-frequency signals is connected to the output of the four-terminal, the signal source resistance is chosen to be complex, the number of two-terminal devices must be selected no less than three, the values of the parameters of the reactive elements forming the two-terminal network of the four-terminal network are selected from the conditions tions provide predetermined phase values φ _1,2 transfer coefficients in the first and second states and setpoints modules m _1, m ₂ the gain in the second state, and the condition determining values of the real component of the load conductivity, wherein the provided physical realizability quadripole, with this specified conditions are implemented by the following mathematical expressions:

a, b, c, d - elements of the classical quadrupole transmission matrix; g ₀ , b ₀ - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the signal source; b _H is the specified value of the imaginary component of the conductivity of the load; g _1,2 , b _1,2 - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the two-electrode controlled element in two states, determined by two levels of the low-frequency control signal. 2. Устройство модуляции амплитуды и фазы радиочастотных сигналов, состоящее из двухполюсного управляемого элемента, реактивного четырехполюсника, выполненного из числа двухполюсников, не меньшего двух, значения параметров которых выбраны из условия обеспечения требуемых амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик в двух состояниях управляемого элемента, подключенного к источнику низкочастотного управляющего сигнала, отличающееся тем, что четырехполюсник выполнен из двухполюсников, количество которых выбрано не меньше трех, управляемый элемент включен между источником радиочастотных сигналов и входом резистивного четырехполюсника в поперечную цепь, к выходу четырехполюсника подключена нагрузка с комплексным сопротивлением для проходных модулированных по амплитуде и фазе радиочастотных сигналов, четырехполюсник выполнен из пяти двухполюсников в виде каскадно-соединенных Г-образного звена из двух двухполюсников с реактивными сопротивлениями х₁, х₂ и П-образного звена из трех двухполюсников с реактивными сопротивлениями х₃, х₄, х₅, при этом значения сопротивлений двухполюсников, формирующих четырехполюсник, выбраны из условий обеспечения требуемых значений фазы (φ₁, φ₂) и модулей (m₁, m₂) коэффициентов передачи в первом и втором состояниях, определяемых двумя крайними значениями низкочастотного управляющего сигнала, а также из условия определения значения действительной составляющей проводимости нагрузки g_H, при котором достигается физическая реализуемость четырехполюсника, при этом сопротивления двухполюсников и перечисленные условия в математической форме определяются следующим образом:

a, b, c, d - элементы классической матрицы передачи четырехполюсника; g₀, b₀- заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости источника сигнала; b_H - заданное значение мнимой составляющей проводимости нагрузки;
g_1,2, b_1,2 - заданные значения действительной и мнимой составляющих проводимости двухэлектродного управляемого элемента в двух состояниях, определяемых двумя уровнями низкочастотного управляющего сигнала. 2. A device for modulating the amplitude and phase of radio-frequency signals, consisting of a bipolar controlled element, a reactive four-terminal, made up of at least two two-terminal, the parameter values of which are selected from the condition of providing the required amplitude-frequency and phase-frequency characteristics in two states of the controlled element connected to the source of the low-frequency control signal, characterized in that the four-terminal is made of two-terminal, the number of which is selected at least three, the controlled element is connected between the source of the radio frequency signals and the input of the resistive four-terminal into the transverse circuit, a load with complex resistance is connected to the output of the four-terminal, for pass-through radio-frequency signals modulated in amplitude and phase, the four-terminal is made up of five two-terminals in the form of a cascade-connected L-shaped link of two two-terminals with reactances x ₁ , x ₂ and a U-shaped link of three two-terminal devices with reactances x ₃ , x ₄ , x ₅ , with values of the resistances of the two-terminal circuits forming the four-terminal network are selected from the conditions for providing the required phase values (φ ₁ , φ ₂ ) and modules (m ₁ , m ₂ ) of transmission coefficients in the first and second states determined by the two extreme values of the low-frequency control signal, as well as from the determination condition values of the real component of the load g _H conductivity at which the physical realizability of the quadrupole, the two-terminal resistance and the conditions listed in mathematical form is defined as follows yuschim way:

a, b, c, d - elements of the classical quadrupole transmission matrix; g ₀ , b ₀ - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the signal source; b _H is the specified value of the imaginary component of the conductivity of the load;
g _1,2 , b _1,2 - set values of the real and imaginary components of the conductivity of the two-electrode controlled element in two states, determined by two levels of the low-frequency control signal.

Images