ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ПРИЁМНИКА САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Губарев Д. Е. Gubarev D. E.

инженер-конструктор 3 категории, АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация

Зикий А. Н. Zikiy Л. N.

кандидат технических наук, старший научный

сотрудник, доцент кафедры «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», Институт компьютерных технологий и информационной безопасности, ФГБОУВО «Южный федеральный университет», г. Таганрог, Российская Федерация

Кочубей А. С. КосШЬеу Л. 8.

инженер-конструктор 3 категории, АО «Таганрогский научно-исследовательский институт связи», г. Таганрог, Российская Федерация

УДК 621.372.54 DOI: 10.17122/1999-5458-2020-16-2-79-85

ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ПРИЁМНИКА САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

Входные устройства приёмников являются многофункциональными и обеспечивают ряд важных параметров, в том числе:

• подавление внеполосных сигналов;

• коммутацию выходов ряда антенн к одному приёмнику;

• энергетическую защиту малошумящих усилителей от мощных сигналов;

• ввод контрольного сигнала.

Исследуемое входное устройство содержит только направленный ответвитель для ввода контрольного сигнала, полосовой фильтр для подавления внеполосных сигналов и фильтр нижних частот для заграждения ложных полос пропускания.

Целью работы является моделирование и экспериментальное исследование входного устройства приёмника сантиметрового диапазона волн с низкими потерями в полосе пропускания, малыми массой и габаритами, высокой повторяемостью и технологичностью.

Проведено экспериментальное исследование входного устройства приёмника, содержащего направленный ответвитель, полосовой фильтр и фильтр нижних частот. Входное устройство выполнено на несимметричной микрополосковой линии передачи на подложке из поликора методом тонкоплёночной технологии. Моделирование проводилось в пакете прикладных программ Microwave Office. Эксперименты проводились с помощью векторного анализатора цепей типа PNA-L. Показано достижение следующих основных параметров:

• диапазон рабочих частот от 4 до 8 ГГц;

• потери в прямом канале не превышают 3,5 дБ;

Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS

• потери в боковом канале не превышают 13 дБ;

• заграждение вне полосы пропускания при отстройке от граничных частот полосы пропускания на 2 ГГц не менее 27 дБ;

• волновое сопротивление всех портов 50 Ом.

Ключевые слова: входное устройство приёмника, моделирование, эксперимент, амплитудно-частотная характеристика, потери в полосе пропускания.

INPUT DEVICE OF THE CENTIMETER RANGE RECIVER

The input devices of the receivers are multifunctional and provide a number of important parameters, including:

• out-of-band signal suppression;

• switching the outputs of a number of antennas to a single receiver;

• energy protection of low-noise amplifiers from high-power signals;

• entering the control signal.

The input device under study contains only a directional coupler for entering the control signal, a bandpass filter for suppressing out-of-band signals, and a low-pass filter for blocking false bandwidth.

The aim of this work is to model and experimentally study the input device of a centimeter-wide receiver with low bandwidth losses, low mass and dimensions, high repeatability and manu-facturability.

An experimental study of the input device of the receiver containing a directional coupler, bandpass filter and low-pass filter was conducted. The input device is made on an asymmetric microstrip transmission line on a polycore substrate using thin-film technology. The simulation was performed in the Microwave Office application package. The experiments were performed using a PNA-l type vector chain analyzer. The achievement of the following main parameters is shown:

• operating frequency range from 4 to 8 GHz;

• direct channel losses do not exceed 3.5 dB;

• side channel losses do not exceed 13 dB;

• out-of-band blocking when detuning from the 2 GHz bandwidth limit frequencies at least 27 dB;

• wave resistance of all ports is 50 Ohms.

Key words: input the receiver device, modeling, experiment, amplitude-frequency characteristic, the loss in bandwidth.

Введение

К входному устройству предъявляются следующие требования [1-4]:

• диапазон рабочих частот в прямом канале от 4 до 8 ГГц;

• потери в прямом канале не более 3,5 дБ;

• диапазон рабочих частот в боковом канале от 4 до 8 ГГц;

• потери в боковом канале не более 13 дБ [1];

• волновое сопротивление всех портов 50 Ом;

• заграждение вне полосы пропускания при отстройке от граничных частот полосы пропускания на 2 ГГц не менее 27 дБ.

Схема и конструкция

В состав входного устройства приёмника входят направленный ответвитель, полосовой фильтр и фильтр гармоник. Схема вход-

ного устройства показана на рисунке 1, а конструкция — на рисунке 2. Используется тонкоплёночная технология для изготовления печатной платы из поликора. Все проводники изготовлены методом вакуумного напыления, травления нихрома и гальванического наращивания меди и серебра. Направленный ответвитель выполнен одноступенчатым с длиной связи около Л,в/4. Полосовой фильтр выполнен по шлейфовой схеме с пятью четвертьволновыми резонаторами и четырьмя четвертьволновыми связями. Печатная плата из поликора толщиной 0,5 мм впаяна в корпус рамочного типа из титана с внутренним размером 48 х 15 мм и закрывается двумя крышками. В качестве соединителей используются три коаксиально полосковых перехода типа СРГ50-751ФВ [5]. Крепление входного устройства в аппаратуре потребителя

осуществляется двумя винтами М3 с помощью ушек на корпусе.

Расчёт направленного ответвителя проводился по методике из книги [6]. Расчёт шлей-фового фильтра проводился по методике из

статьи [7]. Результаты расчёта приведены в таблице 1. Половина площади поликоровой платы покрыта резистивным слоем из нихрома. Предполагается, что это поможет устранить паразитные резонансы.

W1

R1

-I- .

W3

WS

W7

W3

W11

— /jy.'.'V

|w?

—¿¿¿¿¿/

JW4

-Ss'SjJ,'

1VW

! we

W13

WIS

W17

X3

////// ¿¿¿¿¿>

|wio |wi2 |wi4 | WIS

iGK

О™

A

Рисунок 1. Принципиальная схема входного устройства

Рисунок 2. Фото входного устройства Таблица 1. Геометрические размеры входного устройства

Поз. обозн. Длина, мм Ширина, мм Зазор, мм Наименование

W1 4,5 0,46 0,07 Направленный ответвитель

W2, W10 5,0 0,35 - Шлейф КЗ

W3, W9 5,0 0,6 - Шлейф

W4, W8 5,0 0,6 - Шлейф КЗ

W5, W7 5,0 0,4 - Шлейф

W6 5,0 0,35 - Шлейф КЗ

W11, W17 0,75 0,09 - Шлейф

W12, W16 1,5 0,8 - Шлейф ХХ

W13, W15 3 0,15 - Шлейф

W14 20 0,6 - Шлейф ХХ

t1 0,5 мм Толщина подложки

£ 9,8 Диэлектрическая проницаемость подложки

t2 5 мкм Толщина слоя меди

Моделирование

Моделирование входного устройства проводилось в пакете прикладных программ Microwave Office (MWO) [8, 9]. Модель представлена на рисунке 3. Исходные данные для неё взяты из таблицы 1. На рисунках 4 и 5 представлены АЧХ входного устройства в полосе от 1 до 18 ГГц основного канала и канала контроля.

Эксперимент

Эксперимент проводился на установке, содержащей векторный анализатор цепей типа PNA-L, набор кабелей и переходов.

На рисунке 6 можно видеть АЧХ входного устройства в прямом канале при полосе анализа 1-18 ГГц. Ложные полосы пропускания в этом диапазоне отсутствуют. На рисунке 7 изображена АЧХ в прямом канале в полосе анализа 1-11 ГГц. На рисунке 8 показана АЧХ бокового канала в полосе 1-11 ГГц. Рисунки 6-8 показывают достижение предъявленных требований, а также позволяют сформулировать количественные выводы.

Data processing facilities and systems

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

Рисунок 3. Модель входного устройства из MWO Graph 6

1 1 1 i

/у< Î..... 1 / / 1 ------ Nsr Л 1 1 1 \

\ \ -DB(|S{3,1)!> ¡Filter

/ ml : 4000 MHz -0.8759 dB --- \ \ 1 m2: 3003.6 MНг -2.632 dB

/ 7 j V-

f

1 1 11 -L------ j...... \ î л î

î .......-I-------- 1 1 1 ........ TT 4 1 1 / 1 V / î \

7 ~ / 1 Ï î

1 1 i j 1 1

1 1 1

1 1 1 1 > < i I ' J_L_

1000 2700 4400 6100 7800 9500 11200 12900 14600 16300 18000

Frequency (MHz)

Рисунок 4. АЧХ входного устройства в полосе от 1 до 18 ГГц (основной канал)

Graph 6

10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100

1000 2700 4400 6100 7800 9500 11200 12900 14600 16300 18000

Frequency (MHz)

Рисунок 5. АЧХ входного устройства в полосе от 1 до 18 ГГц (канал контроля)

Z7 -DB(|S(3,2)|) ¡Filter

J / \

ml: 4000 MHz -10 03 dB 8008.6 MHz -10.28 dB ------- -------- -------- î Л /1 --------^----/J---

î ч д î \ /î î 1 1 I I 1 î / \

/ ' 1 / 1 1 r 1 1 J J J J J î î î î î î ___i_i I / 1 \ / V У T V

1 1 1 1 1 I 11 V I ll I / I \ 1 / 1 \ 1J 1 \

1 1 1 1 1 1 \l 1 / 1 1 /

1 1 1 7 p î j î

i l i 1 1 1 I I r- 71 < l\ !

- 83

Электротехнические и информационные комплексы и системы. № 2, т. 16, 2020

Data PROCESSiNG FACiUTiES AND SYSTEMS

Выводы

В таблице 2 приведены параметры входного устройства, полученные при моделировании и в эксперименте.

Таблица 2. Основные параметры входного устройства

Список литературы

1. Андрианов А.В., Губарев Д.Е., Зи-кий А.Н., Сленчковский В.Г. Исследование направленного ответвителя на связанных полосковых линиях // Инженерный вестник Дона. 2018. № 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4y2018/5266.

2. Андрианов А.В., Зикий А.Н., Пусто-валов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра сантиметрового диапазона // Инженерный вестник Дона. 2017. № 1. URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n1y2017/4042.

3. Андрианов А.В., Быков С.А., Зикий А.Н., Пустовалов А.И. Моделирование и экспериментальное исследование трактового фильтра на встречных стержнях // Инженерный вестник Дона. 2016. № 4. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n4y2016/3778.

4. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. 2-е изд. М.: Техносфера, 2006. 216 с.

5. Мазепова О.И., Мещанов В.П., Прохорова Н.И. и др. Справочник по элементам полосовой техники / Под. ред. А.Л. Фельд-шгейна. М.: Связь, 1979. 336 с.

6. Лебедев В.К. Шлейфовый фильтр // Известия вузов, серия «Радиоэлектроника». 1972. № 10. С. 1296-1297.

7. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Куру-шин А.А. Проектирование СВЧ-устройств с помощью Microwave Office. М.: Солон-Пресс, 2003. 496 с.

8. Бахвалова С.А., Романюк В.А. Основы моделирования и проектирования радиотехнических устройств в Microwave Office: учеб. пособие. М.: Солон-Пресс, 2016. 152 с.

Из таблицы 2 видно, что все требования к входному устройству выполняются.

References

1. Andrianov A.V., Gubarev D.E., Zi-kii A.N., Slenchkovskii V.G. Issledovanie napravlennogo otvetvitelya na svyazannykh poloskovykh liniyakh [A Study of the Directional Coupler on the Associated Strip Lines]. Inzhe-nernyi vestnik Dona — Engineering Journal of Don, 2018, No. 4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n4y2018/5266. [in Russian].

2. Andrianov A.V., Zikii A.N., Pustova-lov A.I. Modelirovanie i eksperimental'noe issledovanie traktovogo fil'tra santimetrovogo diapazona [Modelling and Experimental Research of Path Filter of C Range]. Inzhenernyi vestnik Dona — Engineering Journal of Don, 2017, No. 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/ archive/n1y2017/4042. [in Russian].

3. Andrianov A.V., Bykov S.A., Zikii A.N., Pustovalov A.I. Modelirovanie i eksperimental'noe issledovanie traktovogo fil'tra na vstrechnykh sterzhnyakh [Modeling and Experimental Study of a Tract Filter on Opposing Rods]. Inzhenernyi vestnik Dona — Engineering Journal of Don, 2016, No. 4. URL: ivdon.ru/ru/ magazine/archive/n4y2016/3778. [in Russian].

4. Dzhurinskii K.B. Miniatyurnye koak-sial'nye radiokomponenty dlya mikroelektroniki SVCh [Miniature Coaxial Radio Components for Microwave Microelectronics]. 2-e izd. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2006. 216 p. [in Russian].

5. Mazepova O.I., Meshchanov V.P., Pro-khorova N.I. e.a. Spravochnik po elementam polosovoi tekhniki [Handbook on the Elements of Strip Technology]. Ed. by A.L. Fel'dshgein. Moscow, Svyaz' Publ., 1979. 336 p. [in Russian].

Наименование параметра, размерность Задано Моделирование Эксперимент

Диапазон рабочих частот в прямом канале, ГГц 4-8 4-8 4-8

Потери в прямом канале не более, дБ 3,5 3,0 2,5

Диапазон рабочих частот в боковом канале, ГГц 4-8 4-8 4-8

Потери в боковом канале не более, дБ 13 10,28 12,6

Волновое сопротивление всех портов, Ом 50 50 50

Заграждение на частоте 2 ГГц не менее, дБ 27 27 27

Заграждение на частоте 10 ГГц не менее, дБ 30 41 36

6. Lebedev V.K. Shleifovyi fil'tr [Loop Filter]. Izvestiya vuzov, seriya «Radioelekt-ronika» — Izvestiya vuzov, series «Radio-electronics», 1972, No. 10, pp. 1296-1297. [in Russian].

7. Razevig V.D., Potapov Yu.V., Kuru-shin A.A. Proektirovanie SVCh-ustroistv s pomoshch'yu Microwave Office [Microwave Design with Microwave Office]. Moscow, Solon-Press Publ., 2003. 496 p. [in Russian].

8. Bakhvalova S.A., Romanyuk V.A. Osnovy modelirovaniya i proektirovaniya radiotekh-nicheskikh ustroistv vMicrowave Office: ucheb. posobie [Basics of Modeling and Design of Radio Engineering Devices in Microwave Office: Textbook]. Moscow, Solon-Press, 2016. 152 p. [in Russian].