CC BY
249
УДК 621.396.6
ДВУХКАНАЛЬНОЕ ПРИЕМНОЕ УСТРОЙТВО СВЧ ДИАПАЗОНА
А. И. Пустовалов Таганрогский научно-исследовательский институт связи
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.
А1
В состав приемного устройства входит три гибридноинтегральных СВЧ модуля:
- двухканальный входной модуль;
- два унифицированных одноканальных приемноусилительных 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.
Далее рассмотрим некоторые функциональные узлы приемного устройства. Электрическая схема переключателя представлена на рис. 3.
Вход
Рис. 3 - Электрическая схема переключателя
Рис. 2 - Конструкция приемного устройства 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 р-1-п 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.
С1 С2
5? vi
V2
і
V3
Рис. 5 - Электрическая схема ОМ На основании требований к коэффициенту передачи приемного канала был выбран усилитель NBB-3QQ фирмы RF MICRO DEVICES. В диапазоне рабочих частот приемного устройства усилитель имеет типовой коэффициент усиления 11 дБ при неравномерности 1,Q 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:
гее = -114 + 10!одРг + 101од
6,318^ + 2,5^2БиБу - Бу 2 + АБу 1{втРт )2
[дБ мВт], для Бн > 2Бу. (1)
здесь Т55 - уровень входной мощности сигнала, которому соответствует отношение сигнал/шум, равное 8 дБ на выходе детектора / видеоусилителя; Рт - общий коэффициент шума от входа приемника с детектором; Бу -ширина полосы видеосигнала в мегагерцах; Бк - RF -ширина полосы в мегагерцах (по уровню 3 дБ); От - 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 31, генератор импульсов 32, осциллограф Р1, источники питания постоянного тока 33-35. Источники питания подключались к НЧ разъему приемника через специальный жгут Е1. Два источника служат для подачи питающих напряжений (минус 9 В и 9 В), третий - для формирования напряжения уровня «лог. 1» (2,5 В).
»-[м]-»—
V V
А1
ВХ1 СВЧ1
СВЧ 2
гкс ВЫХОД 1 л
ВХ2 ВЫХОД 2Л
Х1
—«-|УМ
Е1
\/ \/
\/ \/
1
+ і - + 1 - + і -
єз Є4 Є5
/ч
Рис. 6 - Схема соединений измерительной установки
К свободным СВЧ разъемам приемника подключались коаксиальные согласованные нагрузки М2-М5. 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.
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 аналогоцифровых электронных устройств - издательский дом
«Додэка-ХХ!», М., -2005.
