CC BY
0
МОДУЛЬ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ СВЧ СИГНАЛОВ
В.М. Спиридонов, магистрант
А.Р. Насыбуллин, канд. техн. наук, доцент
Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ (Россия, г. Казань)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-6-3-224-228
Аннотация. В статье обсуждается краткое описание принципа работы передающего устройства для формирования и передачи в антенно-фидерный тракт (АФТ) импульсно-модулированных сигналов в седьмом диапазоне (ВЧ волн). Описаны функциональные составляющие узлов, входящих в состав модуля. Дано краткое описание принципа работы каждой из плат, входящих в состав данного модуля. Обоснован выбор двух задающих генераторов вместо одного. Приведены данные исследования по КСВН при компьютерном моделировании данного устройства и реальные данные снятые с собранного по приведенной в работе блок-схеме устройства. По мимо данных о КСВН, в работе приведены показатели потерь мощности сигнала при передаче его в антенно-фидерный тракт.
Ключевые слова: приемо-передающее устройство, КСВН, потери мощности сигнала, СВЧ печатные платы, задающий генератор, антенно-фидерный тракт.
Модуль состоит из 12 плат, установленных в алюминиевый фрезерованный корпус. Материал корпуса необходимо подобрать из соображений специфики окружающей среды, в которой будет использо-
ваться данное устройство. Необходимо учитывать и электромагнитную совместимость (ЭМС) СВЧ печатных плат, входящих в состав данного модуля. Блок схема модуля представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Блок-схема модуля для формирования и передачи в АФТ сигналов СВЧ
Управление ВЧ платами происходит с помощью НЧ платы, установленной на другой стороне модуля. Несущая частота и рабочий диапазон частот задаются с по-
мощью двух генераторов российского производства ГК399-С-Б-ХМ-5 и ГК399-С-Б-УМ-5 с разными частотами.
Плата возбудителя, выполненная с помощью данных генераторов, позволяет работать с двумя рабочими частотами. Так как подобные устройства проектируются на один определенный диапазон частот, то данное устройство позволит охватить более широкий спектр рабочих частот. Каждый из двух генераторов генерирует сигнал на своей рабочей частоте. Важно отметить, что генераторы работают попеременно, в зависимости от задачи и несущей частоты, необходимой для передачи. Данное решение позволяет работать на двух частотах, что делает данное устройство универсальным. Аналогичные устройства имеют только 1 генератор, соответственно 1 диапазон рабочих частот. Данное же устройство рассчитано на работу с диапазоном частот как «старых» устройств, так и «новых», что является преимуществом данного устройства перед его аналогами.
Для наиболее качественной передачи сигналов важно обратить внимание на исследование КСВН, так как оно напрямую описывает отражения в устройстве. Для добротной передачи КСВН должен быть минимальным, в идеальном случае сигналы должны проходить без отражений, в реальном же - это невозможно. Исследование КСВН на этапе полноценного и наиболее приближенного к реальности моделирования устройства необходимо,
Стоит отметить, что КСВН топологии модуля, расчеты и моделирование, произведенные в AWR Design Environment, не более 1,2 на рабочих частотах генератора, что является хорошим показателем согласования конструкции приемопередающего устройства в целом. Это минимизирует отражения внутри цепей и означает что вся мощность будет передаваться без потерь на антенну или на эквивалентную нагрузку. При проектировании передающего устройства необходимо провести предварительное исследование КСВН модуля, чтобы убедиться в том, что разрабатываемое устройство будет соответствовать предъявляемым требованиям по КСВН (качественные устройства имеют КСВН не более 1,5, в зависимости от выполняемых функций он может меняться). На рисунке 2 представлены данные по исследованию КСВН для модуля.
так как оно характеризует будущее устройство с точки зрения баланса потребляемой и передаваемой мощности сигнала.
Первая плата усилителя состоит из двух плат, объединенных в одну, которые в совокупности выполняют функцию усиления и модуляции поступающего сигнала. Первая плата выполнена на двух биполярный транзисторах российского производства 2Т2А-2 аА0.339.112 ТУ и 2ТМА-2 аА0.339.138 ТУ, что даёт увеличение сиг-
1450 1500 1550
Frequency (MHz)
Рис. 2. Исследование КСВН модуля при компьютерном моделировании
нала по мощности в несколько раз. С её помощью сигнал, поступающий с платы усилителя на следующую плату усилителя, увеличивается по амплитуде. На второй же сигнал усиливается и происходит процесс модуляции с помощью включенных в схему конденсаторов. После преобразования сигнал поступает на 4 входа платы фазовращателя.
С помощью платы фазовращателя происходит управление входным сигналом от первой платы усилителя. С его помощью на 4 контакта сумматора поступают 4 сигнала, фазы которых зависят от самого фазовращателя [8].
Но прежде, чем сигнал придёт на сумматор, он дополнительно усиливается с помощью 4-х плат усилителей с Вт на Квт [9].
При соответствующих фазах мощность складывается в 1 из двух каналов в зависимости от фазы. Соответственно сумматор переводит сигнал либо в основной, либо в дополнительный каналы, в зависимости от задачи [6, 7].
Плата детектора необходима для детектирования непрерывных или модулированных СВЧ-сигналов в широком диапазоне частот [2, 3].
Плата переключателя выполняет функцию переключения между приемом и пе-
редачей сигнала. Данное решение позволяет создать полностью законченный модуль, а не выносить отдельно блок с приемом вне самого передатчика, что существенно экономит материал и пространство, а также приводит к минимальным потерям внутри данной схемы [1, 5].
Исследование реального модуля дает полную картину поведения параметров устройства от воздействия внешних факторов, начиная от влияния конструкции, заканчивая влиянием электромагнитных полей, поэтому необходимо рассчитывать наиболее детализированную математическую модель. Важно проводить исследования реального устройства, так как всегда есть факторы, которые могут оказать влияние на правильность работы модуля.
На рисунке 3 представлены данные по потерям в месте сосредоточения делителей и аттенюаторов реального модуля, что говорит о том, что в данном промежутке, они минимальны. Так как при суммарной потере в 8 дБ мощности (2 последовательных делителя и аттенюатор), общая максимальная потеря достигает 8,3-8,4 дБ, что незначительно для данного модуля. Данные были сняты с модуля с помощью анализатора цепей (Vector Network Analyzer) и экспортированы в AW Design Environment для наглядности.
Рис. 3. Снятие данных о потерях мощности при помощи анализатора цепей (Vector Network Analyzer)
На рисунке 4 представлены данные по КСВН реального модуля.
ис. 4. Снятие данных КСВН при помощи анализатора цепейы
Вид и поведение кривых КСВН по цепям отличаются, в результате небольшого влияния генераторов друг на друга, но основной показатель КСВН не более 1,24. Исследование графиков потерь мощностей и КСВН, представленных на рисунках 3, 4 говорит об успешно настроенном физическом модуле, который полностью соответствует своим, раннее рассчитанным параметрам. На рисунке 3 представлен график развязки выходов данного устройства, из которого видно, что влияние каждого из них друг на друга минимально и потери мощности в каждом из них в необходимых пределах. При рассмотрении данных параметров - это необходимо для того, чтобы каждый выход был обособленным и потери мощности на рабочих частотах составляли не более 0,5 дБ, что соответствует приведенным выше данным. На рисунке 4 стоит обратить внимание на рабочие частоты задающих генераторов, КСВН в пределах которых минимален и составляет не более 1,3, что подтверждает правильность моделирования и делает устройство достаточно сбалансированным.
Все характеристики модуля, в частности плат учитывают все потери на делителях мощностей, переходах, отражения внутри плат, а также влияние излучения плат друг на друга [4].
Для этого был произведен расчет и моделирование в AWR Design Environment, так как он предлагает открытую интегрированную платформу для совместного моделирования на системном, схемном и электромагнитном уровнях, что позволяет значительно ускорить процесс разработки высокопроизводительных радиочастотных устройств.
В результате моделирования были получены данные по КСВН не более 1,3, что является хорошим показателем согласования для данного модуля [10, 11].
Данные, полученные после реальной настройки и компьютерного моделирования в AWR Design Environment, полностью повторяют друг друга, за исключением некоторых замечаний, связанных непосредственно с самой элементной базой, однако, для этого были приняты некоторые конструктивные решения, связанные непосредственно с самим корпусом модуля. Вся элементная база данного устройства -российского производства. Конструкция данного модуля выдерживает вибрационные нагрузки, устойчива к неблагоприятному воздействию внешней среды. Функционал при воздействии нагрузок полностью сохраняется, устройство выполняет свои задачи исправно.
Библиографический список
1. Пивак, А. Измерение КСВН генераторов сигналов / А. Пивак, А. Репин // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2021. - № 1(202). - С. 86-89. - DOI 10.22184/19924178.2021.202.1.86.89. - EDN HZHMCI.
2. МИС детекторы из арсенида галия поглощаемой мощности // Сайт Микрана. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.micran.ru/sites/micran_ru/data/UserFile/File/microelectronis/MD903.pdf.
3. Основы радиочастотных и микроволновых измерений мощности для продвинутых (часть 1) Инструкция по применению 1449-1.
4. Руководство по оценке анализаторов векторных сетей / Руководство по калибровке EURAMET. № 12. Версия 3.0. Германия. Март 2018 г.
5. Гусев Ю.А. Спецпрактикум по сверхвысоким частотам. - Казань: Физический факультет КГУ, 2008. - 51 с.
6. Спиридонов С.Б. Схемотехника дискретных устройств / Учебно-методическое пособие /, 2020. - 225 с.
7. Спиридонов, С.Б. Схемотехника дискретных устройств: Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Схемотехника дискретных устройств». - Москва: ООО «Издательство «Спутник+», 2023. - 126 с. - ISBN 978-5-9973-6637-7. -DOI 10.25633/6637-7. - EDN UFBMPB.
8. Коколов А.А., Бабак Л.И. Схемы сложения мощности для монолитных интегральных СВЧ-усилителей // Доклады ТУСУР. - 2011. - №2-2 (24).
9. Кочемасов, В. Твердотельные СВЧ-фазовращатели Часть 1 / В. Кочемасов, В. Шадский // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2017. - № 1(161). - С. 86-100. -DOI 10.22184/1992-4178.2016.161.1.86.100. - EDN XWVTLX.
10. Твердотельные усилители СВЧ диапазона. Новые радиочастотные соединители / А.А. Кищинский, К Б. Джуринский. - М.: ВАШ ФОРМАТ, 2022. - 432 с.
11. Фундаментальное изменение нелинейного микроволнового дизайна / Д. Вай / Микроволновый журнал. - 2010. - №3. - С. 24-36.
12. Эффективный широкополосный метод измерения коэффициента отражения от эквивалентного источника / IEEE Операции с контрольно-измерительными приборами / А. Торок, Д. Яник, В. Пейнельт, Д. Стампе, У. Стампер. - 2001. - Т. 50. № 2. - С. 361-363.
A MODULE FOR GENERATING AND TRANSMITTING MICROWAVE SIGNALS
V.M. Spiridonov, Graduate Student A.R. Nasybullin, Associate Professor
Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev - KAI (Russia, Kazan)
Abstract. The article discusses a brief description of the principle of operation of the transmitting device for the formation and transmission of pulse-modulated signals in the seventh range (HF waves) to the antenna-feeder tract (AFT). The functional components of the nodes included in the module are described. A brief description of the principle of operation of each of the boards included in this module is given. The choice of two master generators instead of one is justified. The data of the VSWR study in computer modeling of this device and the real data taken from the device collected according to the flowchart shown in the work are presented. In addition to the VSWR data, the work shows indicators of signal power loss when transmitting it to the antenna-feeder path.
Keywords: receiving and transmitting device, VSWR, power loss, microwave printed circuit boards, master generator, antenna-feeder path.
