РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 1, с. 123-126
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 520.274.3
СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ СИНФАЗНЫХ СИГНАЛОВ
В РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРЕ СО СВЕРХВЫСОКОЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ЧАСТОТОЙ
© 2004 г. |А. А. Романычев, Н. А. Дугин
Поступила в редакцию 23.07.2002 г.
Рассмотрен элемент радиоинтерферометрической аппаратуры - схема формирования синфазных сверхвысокочастотных (СВЧ) напряжений разнесенных пунктов. За счет использования промежуточной частоты, сравнимой с частотой принимаемого сигнала, схема обеспечивает компенсацию нестабильности электрической длины передающих линий связи от центрального пункта к антеннам.
Проблема конструирования систем формирования синфазных высокочастотных напряжений в разнесенных пунктах являлась одной из основных в процессе разработки сложных радиоинтер-ферометрических инструментов и систем апертур-ного синтеза (САС), которые получили широкое развитие в 60-х-80-х гг. прошлого века. Основные принципы создания всех элементов антенных комплексов и аппаратуры САС изложены в специальном тематическом выпуске журнала IEEE [1], в описании Большой Антенной Решетки (VLA) [2] и обобщены в работе [3].
В отечественной практике работы по созданию "классических" САС велись в небольшом числе радиоастрономических коллективов и, по-видимому, в большей степени в Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте (НИРФИ) [4, 5]. При этом в НИРФИ основной упор был сделан на разработку простой, надежной и дешевой аппаратуры, рассчитанной на интерферометры с небольшими базами и рабочими длинами волн в дециметровом - метровом диапазонах. Отказ от создания сложных передающих трасс между антеннами (термостабилизирован-ных, заглубленных под землю и т.д.) обусловил повышенную суточную и сезонную нестабильность во времени передающих кабельных трактов, что определяло точность измерения разности фаз сигналов - основного параметра интерферометра. Без принятия соответствующих мер по компенсации этой нестабильности получить требуемую точность фазовых измерений не представлялось возможным.
На первом этапе была применена простейшая схема прямой передачи сигнала гетеродина на периферийные пункты с периодическим контролем электрической длины линий системой фазовой калибровки. Затем была разработана стандартная схема обмена сигналами между центральным и приемными пунктами, когда формируют высоко-
стабильные опорные сигналы, по которым синхронизируют и фазируют местные гетеродины. Возврат принятого сигнала в центральный пункт после смесителя производят на низкой промежуточной частоте (30...60 МГц), тракт которой обычно контролируют специальными системами фазовой калибровки. При длительной работе по внеземным источникам с большими временами усреднения сигналов эти схемы давали удовлетворительный результат.
В процессе рассмотрения вопросов расширения сферы применения радиоинтерферометрической техники была показана перспективность использования бортовых интерферометрических комплексов на воздушных и морских судах и на космических аппаратах с целью повышения точности и оперативности определения географических координат объектов и их ориентации по сигналам глобальных космических навигационных систем (КНС) ГЛОНАСС и GPS [6, 7]. В этом случае требования к интерферометрической аппаратуре становятся такими же, как к бортовой аппаратуре потребителей (АП) сигналов КНС, т.е. более жесткими с точки зрения точности, надежности и быстродействия. Поэтому становятся актуальными ряд разработок аппаратуры САС, выполненных в ходе создания и апробации фазостабильных радиоинтерферометров НИРФИ. В данной работе подробно описана схема формирования синфазных гетеродинных напряжений антенных пунктов со сверхвысокой промежуточной частотой, принцип действия которой был изложен в работе [8].
В рассматриваемой схеме предложено совместить тракты формирования синфазных гетеродинных напряжений и тракт промежуточной частоты (ПЧ). Таким образом, ПЧ становится сравнимой по величине с рабочей частотой инструмента юс, т.е. используется сверхвысокая ПЧ. Одна из возможных схем реализации этой идеи приведена на рис. 1, где производится двойное преобразование
Рис. 1. Блок-схема радиоинтерферометра с использованием сверхвысокой промежуточной частоты: А - антенна, Г -гетеродин, Д - делитель мощности, НО - направленный ответвитель, УВЧ - усилитель высокой частоты, См - смеситель, Ф - фильтр, УПЧ - усилитель промежуточной частоты, П - перемножитель.
частоты, а частоты первого гетеродина и первой ПЧ равны примерно Юс /2. Цифрами на рисунке обозначены точки, для которых будут записаны характерные полные фазы сигналов, поскольку для описания работы схемы важны изменения полных фаз, а не их абсолютные значения. При всех преобразованиях рассматриваем сигнал разностной частоты, отфильтровывая суммарный. Оба плеча интерферометра полагаем симметричными.
Частоты сигналов, передаваемых по линиям связи, запишем следующими соотношениями: юс =
= Юг + ЮпрХ, ЮпрХ = Юг + Опр2 и
Юс = Юг + Юг + Опр2 = 2Юг + Опр2,
где Опр2 - среднее значение второй промежуточной частоты, причем О 2 < (Юпр1, Юг), т.е. Юпр1 ~ Юг. Полная фаза сигнала гетеродина в точке 1 равна
/ (1)ч (1) .
(ютХ + фг ), где фг - начальная фаза напряжения гетеродина.
Распространяясь по линии связи Ь1, сигнал гетеродина задерживается на время т1 = Ь1/с, где L -длина кабельной линии, с - скорость распространения электромагнитной волны в линии связи. Тогда в точке 2 фаза напряжения гетеродина будет иметь вид: [юг(£ - т1) - ф^ ].
Фазу исследуемого сигнала на входе первого смесителя (точка 3) запишем как
Юс£ = (2Юг + Опр2Ж
полагая для простоты начальную фазу фс = 0.
На выходе первого смесителя, фильтра и первого усилителя промежуточной частоты (УПЧ) (точка 4) фаза напряжения первой (СВЧ) промежуточной частоты запишется в виде:
Юпр1? = (Юг + О^Г + (ЮТ - фг1)).
Этот сигнал первой промежуточной частоты возвращается в центральный пункт по линии связи Ь2 и задерживается соответственно на время т2 = ¿2/с.
Тогда на входе второго смесителя (точка 5) фаза сигнала на Юпр1 будет иметь следующее значение :
(Юг + О^Г + Юг(Т1 - Т2) - ^пр2^2 - фг1) .
Начальная фаза гетеродина в точке 6 будет отличаться от фазы в точке 1. Это фаза на момент времени т1 + т2. Поскольку т1 и т2 в первом приближении постоянны, запишем значение фазы гетеродина в точке 6 как ф^. Тогда полная фаза гетеродина в точке 6 равна [юг£ - фг6) ]. После преобразования сигналов во втором смесителе, фильтрации и усиления во втором УПЧ в точке 7 имеем:
О^Г + Юг(Т1 - Т2) - ^пр2^2 - (фг1) + фгб) ). (1)
СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ СИНФАЗНЫХ СИГНАЛОВ
125
к А2
Рис. 2. Блок-схема радиоинтерферометра с использованием одной линии связи для передачи сигналов гетеродина и промежуточной частоты: А - антенна, Г - гетеродин, Д - делитель мощности, КвМ - квадратичный мост, См - смеситель, Ф - фильтр, СН - согласованная нагрузка, П - перемножитель.
Фаза выходного сигнала в точке 7 имеет тот же вид с той разницей, что в выражении (1) необ-
(б) (б')
ходимо заменить т1 на т3, т2 на т4 и фг на фг .
После перемножения сигналов точек 7 и 7' в перемножителе (корреляторе) и фильтрации на выходе, в точке 8, будем иметь
Юг(Тз - Т4) - Юг(Т1 - Т2) + ^пр2(Т4 - Т2) - ( фгб ) + фгб) ),
1 (1') (1) поскольку начальные фазы фг и фг тождест-
(б') (б)
венно равны, а фг и фг могут отличаться из-за разных значений (т1 + т2) и (т3 + т4). Если т1 и т2 , т3 и т4 попарно равны, то фаза отклика интерферометра на синфазный входной сигнал не зависит от частоты первого гетеродина. Она полностью определяется значением второй промежуточной частоты и разностью (т4 - т2)
^пр2(Т4 - Т2) + ( фгб') - ф^ ). (2)
Значение Опр2 не может быть равным нулю по техническим причинам, зависящим от выбора конкретной схемы радиоинтерферометра (например, однополосный, двухполосный или смешанный (ОП-ДП) прием). Желание уменьшить фазовые искажения приводит к условию т2 = т4. Последнее условие благоприятно сказывается и на всем сла-
/-ОЧ I (б') (б) 1
гаемом (2), уменьшая его до нуля. {фг - фг } -постоянный фазовый сдвиг, несущественный для конечного результата.
Тождественного равенства т1 = т3 и т2 = т4 можно добиться, если сигналы гетеродина и первой промежуточной частоты передавать по одному кабелю во встречных направлениях, разделяя их на приемных и центральном пунктах с помощью направленных фильтров [9]. Один из возможных вариантов такой схемы представлен на рис. 2 (одно плечо интерферометра). Здесь принципиально невозможно сделать О 2 = 0 из-за применения частотного разделения сигналов. Однако, для не очень высоких частот (порядка 1 ГГц) и малых баз интерферометров (до 1 км) такое решение было бы полезным. Этот вариант был апробирован на лабораторном макете (рис. 3); при значениях частот юс = 1140 МГц, юг = 600 МГц, Юпр1 = = 540 МГц и Опр2 = 60 МГц измерения показали, что схема работоспособна, а имитация с помощью линий переменной длины нестабильности электрической длины трактов дает выигрыш в пользу обмена сигналами по одному кабелю примерно в десять раз, то есть как отношение частот П = Юг/Опр2.
Схема рис. 2 с направленными фильтрами наиболее эффективна на частотах порядка 1 ГГц и ниже. Ограничения зависят от качества разделения юг и Юпр1 в направленном фильтре; с увеличением частоты принимаемого сигнала уменьшается относительная расстройка Опр2/юг при прежнем значении Опр2, качество разделения сигналов в фильтре снижается. Схема на рис. 1 более высокочастотна, но требует повышенного внимания к качеству линий связи.
генератор 600 МГц
Д Д Д
3 дБ 3 дБ 3 дБ
См2
КвМ
60 МГц
ФК2-12
фазометр
ЛПД1
Ф
540 МГц
»СН
КвМ
Ф
540 МГц
&ьг
AL
ЛПД3
AL
ПЧ
f60 МГц
См2
540 МГц
ЛПД2
КвМ
Ф
600 МГц
СН
Ф
600 МГц
генератор 1140 МГц
600 МГц
См1
КвМ
Д
3 дБ
См1
Ф
540 МГц
Рис. 3. Блок-схема лабораторного макета радиоинтерферометра для апробации работоспособности схемы рис. 2: Д - делитель мощности, КвМ - квадратичный мост, См - смеситель, Ф - фильтр, СН - согласованная нагрузка, ЛПД - линия переменной длины.
Кроме подавления фазовых флуктуаций
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.