Принцип работы фазовращателя

Введение

В целом структура современного радиолокатора мало отличается от систем, разработанных на заре становления радиолокации, — антенная система, приемник, передатчик, система обработки информации. Развитие техники в этой области двигалось в направлении усовершенствования каждой составной части параллельно

Однако именно развитию антенных систем и постепенному интегрированию антенны как таковой с трактами приемника и передатчика уделялось особое внимание. В совокупности с совершенствованием элементной базы и переходом к использованию в радиолокационных целях все более высоких частот, в широкое применение вошли антенные системы типа фазированная решетка

Фазированная антенная решетка — антенна, состоящая из группы излучателей, фазой сигнала в которых можно управлять независимо, формируя эффективное излучение антенны в целом на одном, желаемом направлении, отличном от направления эффективного излучения отдельного элемента. Таким образом, появилась возможность эффективно управлять лучом антенны электронным способом.

На рис. 1 схематично показан принцип формирования фазового фронта и направление суммарного луча антенной решетки перпендикулярно этой плоскости равных фаз.

Рис. 1. Обеспечение наклона луча фазированной антенной решетки

Также на рис. 1 можем увидеть обобщенный принцип построения систем с использованием фазированных антенных решеток. Входной сигнал делится на множество каналов, соответствующих количеству элементов решетки, сигнал в каждом канале получает фазовое смещение, необходимое для определенного положения луча (лучей) решетки в пространстве.

Следует разделять два основных вида систем на фазированных антенных решетках — пассивные антенные решетки и активные. Основное различие таково: в пассивных антенных решетках имеется один мощный приемопередатчик, чей сигнал делится на все каналы, условно содержание только элемент поворота фазы. В активных фазированных решетках (АФАР) канал каждого элемента решетки имеет свой собственный приемопередатчик. Каждая из концепций имеет свои плюсы и минусы: пассивные решетки значительно дешевле, но требуют применения очень мощных источников сигнала, которым, в свою очередь, необходима сложная схема питания, охлаждения. Активные решетки имеют огромный запас по надежности — выход из строя одного приемопередатчика не приводит к поломке всей системы, но количество используемых компонентов и сложность управления, синхронизации, в конце концов, стоимость устройства превышает стоимость пассивной решетки на порядки.

Однако развитие современной базы электронных компонентов, миниатюризация и вывод в массовое производство еще совсем недавно штучных технологий позволяют системам на АФАР вытеснять пассивные решетки не только с уже давно занятых позиций в авиационной и военной технике, но и в сугубо гражданских применениях — подповерхностном зондировании, радиолокаторах систем организации воздушного движения, космических программах и т. д.

Поэтому в дальнейшем заострим внимание именно на системах АФАР. Их основным элементом является приемопередающий модуль (ППМ), в современных системах зачастую антенна отдельного элемента решетки является частью конструктива ППМ. Пример внешнего вида современного ППМ показан на рис. 2

Рис. 2. Внешний вид ППМ АФАР от компании Cassidian

По идеологии и схемотехнике приемопередающие модули могут реализовываться различными способами, но есть возможность обобщенного представления, составные части такой схемы, так или иначе, присутствуют во всех из них. Поэтому остановимся только на этих элементах и постараемся очертить круг компонентов, которые позволят решить задачу конструирования АФАР в самых популярных диапазонах частот:

• L — 1–2 ГГц;
• S — 2–4 ГГц;
• X — 8–12 ГГц.

Структурная схема ППМ, которую предлагается принять за исходную, приведена на рис. 3.

Рис. 3. Обобщенная структурная схема ППМ

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party

Publication number	Priority date	Publication date	Assignee	Title
RU2072595C1 (ru) *	1993-03-11	1997-01-27	СП «ЭЛВА ИНТРОТЭКС Ко., Лтд.»	Широкополосное гибридное устройство
US6998936B2 (en) *	2001-10-13	2006-02-14	Marconi Communications Gmbh	Broadband microstrip directional coupler
RU2494502C2 (ru) *	2011-10-18	2013-09-27	Федеральное государственное унитарное предприятие «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи» (ФГУП «РНИИРС»)	Миниатюрный широкополосный квадратурный направленный ответвитель на элементах с сосредоточенными параметрами

Помехоподавляющие фильтры

В настоящее время по мере миниатюризации, увеличения плотности монтажа, усиления взаимного влияния радиоэлементов, увеличения функциональных возможностей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) неминуемо возникает необходимость решения задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП). Данная задача является одной из важнейших составляющих в обеспечении электромагнитной совместимости (ЭМС) РЭА. Наряду с технологиями, позволяющими еще на стадии проектирования минимизировать влияние помех схемотехническими и конструктивными способами, применяются методы непосредственного подавления (фильтрация) паразитных сигналов с помощью помехоподавляющих фильтров нижних частот (ФНЧ). В структуре АФАР одним из устройств, наиболее подверженных влиянию ЭМП, является МШУ. Рассматриваемые далее варианты фильтров предназначены для применения в РЭА СВЧ и обеспечивают фильтрацию ЭМП на частотах до 18 ГГц.

Компоненты компании API Technologies/Spectrum Control серий SCI‑9900/9909/9945/9980, 54-863‑ХХХ и 54-831-ХХХ наиболее часто применяются для решения задач ЭМС РЭА СВЧ.

Рис. 9. Стандартное исполнение фильтров серии SCI 9900

Конструктивной особенностью серий SCI‑9900/9909/9945/9980 является их герметичность, что обеспечивает возможность их применения в высоконадежной РЭА военного, авиационного и морского назначения. Герметизация фильтров выполнена металлостеклянным спаем (Glass Sealed) с одной стороны и эпоксидным компаундом (Epoxy) с противоположной (рис. 9). Фильтры изготавливаются в стандартной и реверсивной версиях. В реверсивной версии герметизация металлостеклянным спаем реализована со стороны фланца. Способ монтажа фильтров — пайка непосредственно в конструкцию модуля. Основные характеристики серий SCI‑9900/9909/9945/9980 приведены в сводной таблице 9.

Таблица 9. Общие технические характеристики фильтров ЭМП серий SCI‑9900/9909/9945/9980

Параметр/Серия	SCI-9900	SCI-9909	SCI-9980	SCI-9945
Тип фильтра	C	C	LC	C
Диапазон емкостей	min	4 пФ	5 пФ	10 пФ	0,01 мкФ
max	0,05 мкФ	0,027 мкФ	0,033 мкФ	1,2 мкФ
Диапазон напряжений, В	min	50	50	50	50
max	200	200	200	400
Максимальный ток, А	5	5	5	15
Максимальное вносимое затухание, дБ (справочно), на частоте	1 МГц	10	10	13	40
100 МГц	45	42	55	50
1 ГГц	60	65	75	70
10 ГГц	60	65	75	70
Диаметр корпуса, мм	3,25 (0,128″)	3,05 (0,12″)	3,25 (0,128″)	10,16 (0,4″)

Серии SCI‑9900/9909/9980 относятся к категории миниатюрных фильтров и находят применение в СВЧ-модулях, в цепях управления, коммутации питания. Благодаря высокому значению максимального тока (15 А) серия SCI‑9945 в основном применяется в системах вторичного электропитания.

Рис. 10. Фильтры ЭМП:
а) серии SCI 9900;
б) серии SCI 9909;
в) серии SCI 9945;
г) SCI 9980

В некоторых случаях, как альтернатива вышеуказанным сериям, применяются ФНЧ ЭМП серий 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ. Фильтры серий 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ имеют металлический корпус с резьбой М3 и М4 соответственно, а значит, для монтажа можно использовать стандартный инструмент (с метрическим шагом). Герметизация фильтров выполнена эпоксидным компаундом, что ограничивает их применение в полностью герметичных модулях. Технические характеристики 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ представлены в таблице 10.

Таблица 10. Общие технические характеристики фильтров ЭМП серий 54-863‑ХХХ и 54-831‑ХХХ

Обозначение	Тип фильтра	Cmin	Напряжение, В	Ток, А	Размер резьбы	Особенности конструкции
54-863-004	С	0,01 мкФ	100	10	М3×0,5	Длина корпуса (max) — 10,24 мм
54-863-005	100 пФ
54-863-007	1000 пФ
54-863-008	2000 пФ
54-863-010	4700 пФ
54-863-015	10 пФ
54-831-011	Pi	100 пФ	М4×0,7	Длина корпуса (max) — 15,06 мм
54-831-012	1500 пФ
54-831-013	3000 пФ
54-831-014	5500 пФ
54-831-015	0,012 мкФ

Широкополосный квадратурный разностный фазовращатель (Преобразователь Гильберта). Принципы работы

Наиболее трудоемким и сложным (из-за тесной связи с областью приложения) этапом синтеза электрической цепи является этап задания характеристики цепи в виде функции независимого переменного и произвольных параметров, удовлетворяющей условиям физической реализуемости, определяющий принципиальную возможность построения цепи. Связано это с тем, что этот этап практически не поддается формализации и, следовательно, не может быть автоматизирован обычными средствами. Работа здесь носит глубоко творческий характер и сильно зависит от опыта и квалификации разработчика.

Для реализации цепи осуществляющей преобразование Гильберта, необходимо представить (1.2) в виде, удовлетворяющем условиям физической реализации. Заменим для этого интеграл в (1.2) на сумму бесконечного числа слагаемых воспользовавшись единообразной схемой применения определенного интеграла подробно описанной в , тогда

Из (2.2) следует, что преобразование Гильберта может быть физически реализовано с помощью двух операций суммирования взвешенных сигналов с п входов для каждой операции суммирования, операции получения разности двух сумм и 2п операций преобразования группового времени запаздывания сигнала.

Операции взвешивания, суммирования и операция получения разности двух сумм могут быть реализованы, с помощью одного операционного усилителя. Для реализации групповой задержки сигнала, на некоторое время, могут быть использованы фазовые контуры.

Таким образом, в соответствии с (2.2), широкополосный квадратурный разностный фазовращатель (преобразователь Гильберта) будет иметь структуру, показанную на рис. 2.2.

Фазовращатель с такой структурой содержит четное количество последовательно соединенных элементарных фазовых контуров 1, разделенных на две группы, одну до шины outl, другую после нее, два сумматора 3, входы каждого из которых подключены через пропорциональные взвешивающие звенья 2 к выводам соответствующей группы фазовых контуров, и схему вычитания 4, своими входами подключенную к выходам сумматоров. Фазовращатель построенный по такой схеме работает следующим образом.

Входной сигнал, ортогональные копии которого требуется получить, поступает на шину in (см. рис. 2.2) и распространяется далее по цепочке последовательно соединенных элементарных фазовых контуров 1.

В каждом фазовом контуре происходит сдвиг фаз гармонических составляющих сигнала на определенный свой для каждой гармоники угол, при этом амплитуды гармоник остаются неизменными. Таким образом, сигнал, полученный на шине outl (прямой выход) является, полной, задержанной на некоторое время, копией исходного сигнала (настоящее).

Сигналы с выходов элементарных фазовых контуров расположенных до шины outl опережают копию исходного сигнала на шине outl («будущее»). Сигналы с выходов элементарных фазовых контуров расположенных после шины outl отстают от копии исходного сигнала на шине outl («прошлое»).

Принцип образования ортогонального сигнала на шине out2 (квадратурный выход) иллюстрируется на рис. 2.3 на примере отдельной, произвольной гармонической составляющей исходного сигнала s(t). шине outl обозначена как вектор А («настоящее»). Ее образ в s(t+x) опережающий вектор А на некоторый угол ср обозначен как вектор С («будущее»). Образ гармонической составляющей в s(t-r) отстающий от вектора А на некоторый угол — р, обозначен как вектор В («прошлое»). Как видно из векторной диаграммы, геометрическая разность векторов В и С (вектор (В — С)) является ортогональной вектору А.

Полоса частот, на которой может быть достигнута приемлемая точность реализации преобразования Гильберта, будет тем больше, чем больше будет использовано слагаемых в (2.2) или, что то же самое, чем больше фазовых контуров будет включено в схему широкополосного квадратурного разностного фазовращателя.

Следует обратить внимание на то, что широкополосный квадратурный разностный фазовращатель (преобразователя Гильберта), реализованный по приведенной структурной схеме, относится к беспричинным устройствам

Info

Publication number

RU2534956C1

RU2534956C1

RU2013144599/08A

RU2013144599A

RU2534956C1

RU 2534956 C1

RU2534956 C1

RU 2534956C1

RU 2013144599/08 A

RU2013144599/08 A

RU 2013144599/08A

RU 2013144599 A

RU2013144599 A

RU 2013144599A

RU 2534956 C1

RU2534956 C1

RU 2534956C1

Authority
RU
Russia

Prior art keywords

coaxial line
segment
capacitor
resistor
phase shifter

Prior art date
2013-10-04

Application number
RU2013144599/08A
Other languages

English (en)

Inventor
Виктор Александрович Федоров
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
2013-10-04
Filing date
2013-10-04
Publication date
2014-12-10

2013-10-04Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
filed

Critical

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

2013-10-04Priority to RU2013144599/08A
priority

Critical

patent/RU2534956C1/ru

2014-12-10Application granted
granted

Critical

2014-12-10Publication of RU2534956C1
publication

Critical

patent/RU2534956C1/ru

Методы формирования однополосных сигналов

При ОМ генерируется в канал связи одна боковая полоса.

ОБП – сложная амплитудно-частотная модуляция.

Если имеется чистый тон: U=U_W cosWt

U=U_o(1+m cosWt) cos wt=

При ОБП – нет несущего колебания (1-ое слагаемое) и одной боковой полосы.

Для демодуляции такого сигнала, необходимо восстановить несущую. Поэтому при модуляции оставляют немного несущею гармонику

Преимущества: — более эффективное использование мощности передатчика: при m=1 в боковой полосе содержится

В однополосном сигнале основная мощность расходуется на создание информационного сигнала;

— ОБН модуляция занимает меньшую полосу частот, следовательно, на одном и том же участке можно разместить в 2 раза больше станций (каналов).

Недостатки: — для приема ОБП требуется восстановление несущей, т.е. дополнительная аппаратура в приемнике (гетеродин c f_n и фильтр на f_n);

— требуется повышенная стабильность частоты гетеродина приемника, и передатчика (10 -6

— формирование ОБП – более сложное, чем АМ. осуществляется на малых уровнях Р, а затем усиливается сформированных ОБП сигнал.

Используется двухполосная модуляция – модуляция без несущей, тоже выгодны энергетически, но полоса больше.

1. Фильтровой метод формирования ОБП.

Сначала подают несущее колебание, т.к. его отфильтровать тяжело, оно мощное и близко расположено к боковой полосе.

Сделать фильтр полосовой, который вырежет ону боковую полосу.

Используют 2 метода получения х:

1) основан на формировании двух модулированных колебаний: (противофазных)

Для более качественного подавления, используют . модуляторы (есть мост) должна быть обеспечена идентичность каналов.

2) основан на соотношении у=(a+b) 2 .

Если сумму или разность возвести в квадрат, то получим:

нужно возвести в квадрат, используем диоды или ПТ с квадратными характеристиками.

После подавления несущей, необходима фильтрация одной боковой полосы.

ПФ – кварцевые, LC, пьезоэлеханические.

ПФ должен иметь большую крутизну скатов ЧХ вне полосы.

2-ую БП нужно подавить на 60 дБ.

Кварцевые фильтры можно использовать до 10МГц, но чем меньше частота, тем проще требования к фильтру, поэтому чаще всего делают многоступенчатые преобразования сигнала: в качестве поднесущего колебания 100-150 кГц, в качестве фильтров – электромеханические, требуемая крутизна подавления. Затем этот ОБП сигнал переносится на более высокую частоту.

₂₁

Иногда делают тройное преобразование, когда большая частота передатчика.

Дальше ставят усилители сигналов, т.к. мощность ОБП мала. К усилителям ОБП — сигналов предъявляют жесткие требования:

— поскольку информация заключена в амплитуде сигнала, которая может меняться от 0 до U_Wmax, то усилители должны иметь большой динамический диапазон и хорошую линейность.

В ламповых генераторах работают без сеточных токов, т.к. они имеют нелинейность, здесь недоиспользование АЭ по мощности на 20¸30%, работа в недонапяжённом режиме.

БТ, имеют нелинейные характеристики, их для усиления сигнала применять нежелательно, поэтому чаще используют ПТ.

А для увеличения ОБП разрабатываются приборы для увеличения крутизны, увеличения линейности характеристик.

В ОБП усилителях можно использовать только 2 угла отсечки:q=90 0 , q=180 0 .

2. Синтетический метод формирования ОБП.

Основан на синтезе ОБП сигнала на больших уровнях мощности.

Одновременно осуществляется АМ и ЧМ.

(не должно быть умножителей частоты).

Синтез сигнала осуществляется на требуемой рабочей частоте.

Недостаток: — АМС и ЧМС должны быть синфазными, расхождение приводит к изменению спектра

— так информация заложена в ЧМС, то умножители не применяют.

3. Фазокомпенцационный метод.

Несущее колебание и боковая полоса подавляются в результате подбора фазовых соотношений между АМ колебаниями. Используются несколько колебаний сдвинутых по фазе: 360 0 /n, n³3.

Трехфазная система: (сдвинуты на 120 0 ).

Достоинство метода: ОБП формируется на рабочей частоте.

Недостаток: — необходимы идентичные АМ (модуляторы).

— необходимо наличие фазовращателей, которые работают от 300 Гц до 3,5 кГц.

4. Фазоразностный метод формирования сигнала.

Устранение несущей колебания с помощью балансных модуляторов.

Изменение включения фазовращателя, можно получить вершину БП.

Точность подавления несущего колебания зависит от фазовых соотношений комбинированных колебаний.

Источник

FreeValve

Отказ полностью от валов, дросселя и привода ГРМ (цепь или ремень) выносят многие производители, но первыми сделали это Шведы в своем суперкаре Koenigsegg, который кстати развивает аж 1500 л.с.

Как это устроено? Вместо валов здесь находятся специальные электромагнитные актуаторы, в которых встроены пневматические пружины. ЭБУ контролирует каждый такой клапан и способна открывать и закрывать его очень быстро (до 100 раз в секунду) и на любое расстояние которое нужно. Это позволяет регулировать фазы на любое заданное значение! И ЭТО РЕАЛЬНО ОЧЕНЬ КРУТО.

Испытания показали, что такой мотор до 30% мощнее и эффективнее чем аналоги с распределительной системой, а также он экономичен на эти же 30%. Плавность хода здесь на высоте.

Минусом пока является что такой мотор, шумный, такое количество электромагнитных клапанов создает щелканье при открытие, причем оно нарастает при повышении оборотов. Также стоимость агрегата пока очень высока, но если его запустить в серию цена может значительно упасть.

Что же вот мы с вами и рассмотрели основные виды фазовращателей и просто систем газораспределения без них. Кто не особо понял посмотрите видео версию, там я постараюсь рассказать все просто и на пальцах.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фазовращатель, содержащий делитель мощности, вход которого является входом фазовращателя, и фазосдвигатель, вход которого соединен с выходом делителя мощности, состоящий из четырехканального делителя, вход которого является входом фазосдвигателя, первый, второй, третий и четвертый управляемый аттенюатор и сумматор мощности, выход которого является выходом фазосдвигателя и одновременно фазовращателя, причем выходы четырехканального делителя соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого управляемых аттенюаторов, выходы первого и второго управляемых аттенюаторов соединены с входами сумматора мощности, отличающийся тем, что в него введены передающий оптоэлектронный модуль, управляемый драйвером, N+1 волоконно-оптических трактов, микроконтроллер, N-1 фазосдвигателей, причем вход фазовращателя соединен с входом делителя мощности через последовательно установленные передающий оптоэлектронный модуль и первый волоконно-оптический тракт, делитель мощности выполнен в виде оптического разветвителя, имеющего один входной оптический полюс, соединенный с выходным оптическим полюсом первого волоконно-оптического тракта и N выходных оптических полюсов, соединенных с входами первого и остальных N-1 фазосдвигателей через N волоконно-оптических трактов, в каждый фазосдвигатель дополнительно введены четыре волоконно-оптических линии задержки, четыре цифро-аналоговых преобразователя и приемный оптоэлектронный модуль, причем четырехканальные делители мощности, установленные в фазосдвигателях, выполнены в виде четырехполюсных оптических разветвителей, входные оптические полюса которых являются входами фазосдвигателей, а выходные оптические полюса каждого четырехполюсного оптического разветвителя оптически соединены с входными оптическими полюсами четырех волоконно-оптических линий задержки, выходные оптические полюса которых оптически соединены с входными оптическими полюсами сумматора, выполненного в виде четырехполюсного оптического объединителя, через управляемые аттенюаторы, выполненные в виде электрооптических модуляторов, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами цифро-аналоговых преобразователей, а выходной оптический полюс четырехполюсного оптического объединителя оптически соединен с входным оптическим полюсом приемного оптоэлектронного модуля, выход которого является выходом фазосдвигателя и одним из выходов фазовращателя, цифровые входы всех цифро-аналоговых преобразователей, установленных в фазосдвигателях, цифровой шиной передачи данных соединены с цифровыми выходами микроконтроллера.

Принцип работы фазовращателя и методы калибровки

 Фазовращатель работает по принципу векторного сложения парциальных составляющих сигнала. Исходный сигнал делится на две равные составляющие с фазовым сдвигом в 90° при помощи квадратурного моста. Угол наклона θ в диапазоне 0–90° определяется ослаблением, вносимым аттенюаторами АТ1 и АТ2, а сектор определяется текущим положением балансных фазовых модуляторов , осуществляющих сдвиг фазы разделенных сигналов в каждом канале либо на 0, либо на 180° (рис. 3).

Рис. 3. Схема векторного сложения парциальных составляющих сигнала

Для калибровки фазовых состояний использовался векторный анализатор цепей Agilent E5071C и специализированное программное обеспечение (ПО), разработанное в АО «Микроволновые системы». Для связи с модулем использовался канал связи RS‑485 и специальные команды управления, отправляемые с компьютера. Рабочий диапазон прибора разбивался на десять частотных поддиапазонов. Калибровка производилась в диапазоне 0–354° с шагом 6°. За нулевое состояние выбиралось значение 0° в узлах БФМ и ослабления 2–4 дБ в каждом из аттенюаторов (АТ1 и АТ2). Затем в каждом поддиапазоне производился подбор значений ослаблений аттенюаторов, при которых полученное значение сдвига фазы наиболее точно совпадает с заданным. При этом производился поиск решения с минимальным амплитудным изменением (не более 0,8 дБ) относительно принятого нулевого состояния.

Алгоритм калибровки был написан таким образом, что начальные решения рассчитывались математически и проверялись в первую очередь: если решение оказывалось неверным, то использовался метод перебора, а также заимствование найденных решений из предыдущих шагов. Найденные откалиброванные состояния сохранялись в ПЗУ модуля. Полностью цикл калибровки всех состояний занимал не более 30 мин., а проверки сохраненных в памяти модуля — не более 1 мин. При этом разработанное ПО позволяет сделать калибровку с различными начальными значениями ослаблений аттенюаторов и выбрать лучший результат.

Рис. 4. Типовая максимальная ошибка установленного значения фазы модулем относительно заданного значения

В итоге были получены хорошие результаты по фазовым ошибкам (рис. 4), которые составили не более ±2,7°, и значению отклонения амплитуды сигнала относительно нулевого состояния (рис. 5), которое составило не более 0,8 дБ во всех поддиапазонах.

Рис. 5. Типовое максимальное отклонение амплитуды сигнала при изменении его фазы относительно начального состояния модуля