×

Вы используете устаревший браузер Internet Explorer. Некоторые функции сайта им не поддерживаются.

Рекомендуем установить один из следующих браузеров: Firefox, Opera или Chrome.

Контактная информация

+7 961 270-60-01
ivdon@ivdon.ru

Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона

Аннотация

А.И. Пустовалов

В настоящей статье представлены результаты разработки двухканального быстродействующего приемного устройства для измерения амплитуды  импульсных СВЧ сигналов сантиметрового диапазона длин волн.
Ключевые слова: СВЧ, приемник, быстродействующий, измерение, сигналы.
Стр. 121-132
№ гос. регистрации 0421000096\0020

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Анализ сигналов при радиообнаружении является важной функцией многих радиотехнических комплексов специального и гражданского назначения [1, 2].
В настоящей статье представлены результаты разработки двухканального быстродействующего приемного устройства для измерения амплитуды  импульсных СВЧ сигналов сантиметрового диапазона длин волн. Рассмотрены особенности конструкции и основные параметры.
Приемное устройство представляет собой приемник прямого усиления с амплитудным детектором и видеоусилителем. Для исключения попадания в приемный канал сигналов соседних диапазонов частот применен полосно-пропускающий фильтр с октавной полосой пропускания. В составе устройства имеется ограничитель мощности (ОМ) – защитное устройство. Заданная чувствительность обеспечивается усилителями СВЧ сигналов. Формирование видеосигналов, сопоставление амплитуд которых обеспечивает пеленгационные характеристики, производится амплитудным диодным детектором. Для усиления видеосигналов в заданном динамическом диапазоне входных сигналов после детектора установлен логарифмический видеоусилитель (ЛВУ). Все функциональные элементы схемы приемника реализованы в виде герметичных гибридно-интегральных модулей.
На основе рассмотренных выше функциональных составляющих приемника получена функциональная схема, представленная на рис. 1.

Рис. 1 – Функциональная схема приемного устройства


В состав приемного устройства входит три гибридно-интегральных СВЧ модуля:
– двухканальный входной модуль;
– два унифицированных одноканальных приемно-усилительных модуля.
Каждый канал входного модуля (А1) содержит СВЧ переключатель для возможности поочередного переключения входа канала от антенны к генератору контрольных сигналов (ГКС), трактовый фильтр обеспечивающий внеполосную защиту, ограничитель мощности для защиты приемных каналов от высоких значений мощности входных сигналов и один каскад усиления. Делитель мощности контрольного сигнала, для подачи сигнала ГКС одновременно на два канала, размещен также во входном модуле. Все функциональные элементы в микрополосковом исполнении (СВЧ платы) входного модуля установлены пайкой на металлические носители, которые позволяют крепить их на винтах в корпусе модуля. СВЧ входы и выходы модулей выполнены через герметичные переходы типа СРГ‑50‑751ФВ. Также имеется отсек для низкочастотной платы управления, где установлены ИМС стабилизаторов напряжения и ИМС ТТЛ‑драйверов для СВЧ переключателей. Питающие напряжения и управляющие сигналы подаются на плату управления через изоляторы типа ИСПП‑1а‑3,0, установленные в корпусе модуля.
В состав приемных модулей (А2, А3) входит микрополосковая СВЧ плата и печатная плата ЛВУ. На СВЧ плате размещены три ИМС усилителей, резистивный делитель мощности для формирования выходов СВЧ сигналов, поступающих на измерители несущей частоты и параметров импульсов и детекторная секция. СВЧ вход и выход, а также выход видеосигнала с ЛВУ выполнены через герметичные переходы типа СРГ-50-751ФВ. Подача питающего напряжения и выход импульсного контрольного сигнала осуществляются через изоляторы типа ИСПП-1а-3,0.
Модули, входящие в состав приемного устройства, устанавливаются в общий корпус, расположенный между двумя антеннами соответствующего рабочего диапазона в составе антенного прибора. Конструкция устройства обеспечивает простой доступ и быструю замену. Для соединения входов устройства с антеннами могут быть применены коаксиальные кабели минимальной длинны.
Вид конструкции приемного устройства представлен на рис. 2.

Рис. 2 – Конструкция приемного устройства

Далее рассмотрим некоторые функциональные узлы приемного устройства. Электрическая схема переключателя представлена на рис. 3.

 

Рис. 3 – Электрическая схема переключателя

В переключателе использованы p-i-n диоды типа 2А553А–3. В качестве ТТЛ – драйвера использована специализированная ИМС типа DR65‑0109 производства фирмы M/A-COM (США). Время переключения не более 30 нс.
Расчет геометрических размеров полосно-пропускающего фильтра производился в САПР СВЧ устройств Microwave Office 2009 с использованием информации представленной в [6]. Для устранения ложной полосы пропускания совместно с полосовым фильтром использован ФНЧ. На рис. 4 представлен эскиз платы фильтра на носителе.

Рис. 4 – Плата микрополоскового трактового фильтра

Для защиты входных цепей приемника от разрушающего воздействия сильных импульсных сигналов или внешних мощных несинхронных помех применен полупроводниковый ограничители мощности СВЧ. В ОМ используются p-i-n диоды типа 2А547А‑3 и детекторный диод типа 2А131А‑3. Ограничитель построен по схеме, которую в литературе называют «квазиактивной» Электрическая схема ОМ приводится на рис. 5.

 Рис. 5 – Электрическая схема ОМ

На основании требований к коэффициенту передачи приемного канала был выбран усилитель NBB‑300 фирмы RF MICRO DEVICES. В диапазоне рабочих частот приемного устройства усилитель имеет типовой коэффициент усиления 11 дБ при неравномерности 1,0 дБ; коэффициент стоячей волны напряжения КСВН не более 1,5; коэффициент шума не более 4 дБ; верхняя граница линейности амплитудной характеристики 13дБ мВт.
Для достижения заданной чувствительности в каналах приемного устройства используется четыре ИМС NBB‑300. Эти ИМС допускают непосредственное каскадирование, без дополнительных согласующих элементов.
В амплитудном детекторе использован бескорпусной детекторный диод типа 2А131А‑3. Полное сопротивление диода составляет примерно 120 Ом. Поэтому для улучшения согласования с 50-омным трактом используется прямое смещение током порядка 100 мкА. Для компенсации паразитных параметров структуры диода применена согласующая цепь в микрополосковом исполнении. На выходе детектора установлена блокировочная цепь (блокировочный конденсатор), замыкающая токи высокой частоты.
Измерение амплитуды с высокой точностью в широком динамическом диапазоне требует использования логарифмических видеоусилителей. Для последующей обработки видеосигналы с выходов детекторов усиливаются до уровней, достаточных для работы АЦП. Современная элементная база позволяет использовать в качестве ЛВУ специализированные интегральные микросхемы. Для данного применения была выбрана ИМС типа AD640 фирмы Analog Devices [4].
Для устранения «дрейфа нуля» в диапазоне рабочих температур совместно с ИМС AD640 используется операционный усилитель типа АD8041, который включен в цепь обратной связи на инвертирующий вход AD640 [8].
Схемы логарифмических видеоусилителей содержат компараторы, которые в режиме контроля аппаратуры вырабатывают импульсы ТТЛ–уровней при включении генераторов контрольных СВЧ сигналов. Этим обеспечивается контроль работоспособности всех приемных каналов.
С СВЧ выходов приемного устройства снимаются усиленные приемные сигналы которые поступают на измерители частоты и параметров импульсов.
Для оценки чувствительности детекторных приемников СВЧ диапазона применяется понятие  тангенциальной чувствительности. Из работы [3], ее значение можно вычислить по следующей формуле:

,
[дБ мВт],  для BR  ³ 2BV.                                                      (1)

здесь TSS - уровень входной мощности сигнала, которому соответствует отношение сигнал/шум, равное 8 дБ на выходе детектора / видеоусилителя; FT – общий коэффициент шума от входа приемника с детектором; BV – ширина полосы видеосигнала в мегагерцах; BR  – RF – ширина полосы в мегагерцах (по уровню 3 дБ); GT – полное усиление от входа приемника до входа диода; – 114 дБ мВт составляет минимальный уровень теплового шума для полосы шириной 1 мегагерц.
Рассчитанное значение тангенциальной чувствительности приемного устройства составляет минус 103 дБ Вт.При экспериментальных исследованиях приемного устройства (А1) использовалась измерительная установка для проверки тангенциальной чувствительности, схема соединений которой приведена на рис. 6. В установке использовался генератор сигналов высокочастотный G1, генератор импульсов G2, осциллограф P1, источники питания постоянного тока G3-G5. Источники питания подключались к НЧ разъему приемника через специальный жгут E1. Два источника служат для подачи питающих напряжений (минус 9 В и 9 В), третий – для формирования напряжения уровня «лог. 1» (2,5 В).


Рис. 6 – Схема соединений измерительной установки

К свободным СВЧ разъемам приемника подключались коаксиальные согласованные нагрузки W2-W5. На выходе генератора устанавливались положительные импульсы амплитудой 5 В, длительностью 10 мкс и периодом повторения 100 мкс. На выходе СВЧ генератора в режиме внешней импульсной модуляции устанавливалась мощность минус 90 дБ Вт и частоты в пределах рабочего диапазона. Ручкой регулировки выходной мощности генератора добивались получения «картинки» тангенциальной чувствительности на экране осциллографа, приведенной на рис. 7.


Рис. 7 – Измерение тангенциальной чувствительности

После этого с цифрового табло генератора считывалась выходная мощность, соответствующая тангенциальной чувствительности.
В результате проведенных измерений тангенциальная чувствительность каналов приемника составила не более минус 98 дБ Вт. Неравномерность чувствительности в диапазоне рабочих частот не превышает 3 дБ.
В результате проделанной работы было разработано приемное устройство, обладающее такими отличительными характеристиками как:
– высокая чувствительность;
– широкая мгновенная полоса частот;
– унифицированность конструкции для разных рабочих диапазонов;
– малые габариты и вес.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Цветнов В.В. Радиоэлектронная борьба: радиоразведка и радиопротиводействие.- М.: Издательство МАИ, 1998.-224 с.
2. Добыкин В.Д., Куприянов А.И. и др. Радиоэлектронная борьба. Силовое поражение радиоэлектронных систем.- М.: Вузовская книга, 2007.-468 с.
3. JAMES  TSUI, TANGENTIAL  SENSITIVITY  of  EW RECEIVERS // Microwave Journal, October, 1982, p. 99‑102
4. ANALOG DEVICES Catalog 2008.
5. Справочник по элементам полосковой техники под редакцией А.Л. Фельдштейна. – М.: Связь, 1979.- 336 с., ил.
6. Д.Л. Маттей, Л. Янг, Е. М. Т. Джонс. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи. – М: Связь, 1972, - т.2.- 495 с.
7. Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах.- М.: Радио и связь, 1987, -120 с.
8. Г.И. Волович. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств – издательский дом «Додэка-ХХI», М., -2005.