Электрически управляемый СВЧ аттенюатор с дискретной регулировкой затухания входного сигнала
ELECTRICALLY CONTROLLED MICROWAVE ATTENUATOR WITH DISCRETE CONTROL OF INPUT SIGNAL DAMPENING

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к электрически управляемым СВЧ-аттенюаторам, и может быть применено в радиолокационных системах и других устройствах, использующих СВЧ диапазон.
Известен электрически управляемый СВЧ - аттенюатор, содержащий линию 1 передачи с периодически включенными pin - диодами 2-8, к которым через отрезки 9 линии передачи подключены ограничивающие резисторы 10-16. При этом волновое сопротивление отрезков 9 равно сопротивлению подключенных к нему ограничивающих резисторов 10-16. Свободные концы ограничивающих резисторов 10,11,15 и 16 короткозамкнуты по СВЧ непосредственно, а ограничивающих резисторов 12, 13 и 14 через блокирующие конденсаторы 17. В линии передачи включены разделительные конденсаторы 18. Источник 19 питания подключен к ограничивающим резисторам 12 - 13 и 14. Pin - диоды 2, 3, 7 и 8 включены противофазно к pin - диодам 4-6. Сопротивления ограничивающих резисторов 10 и 16 больше, чем сопротивления ограничивающих резисторов 11 - 15. (SU №1215150, Н01Р 1/22, 1984).
Более близким техническим решением, принятым за прототип, является электрически управляемый аттенюатор, содержащий pin - диоды 1, 2, 3, 4, 5, четвертьволновые отрезки линий передачи 6, 7, 8, резисторы 9, 10, блокировочные конденсаторы 11, 12, 14, 15, линию передачи 13. (SU №1775765, Н01 Р 1/22, 1990).
К недостаткам принятого за прототип электрически управляемого аттенюатора можно отнести неоптимальное согласование pin - диодов с линией передачи в широком диапазоне входных частот из-за отсутствия возможности перераспределения токов управления периодически включенными в линию передачи pin - диодами при электрическом управлении величиной потерь в диапазоне регулирования, что может привести к ухудшению таких характеристик, как минимальное затухание входного сигнала в открытом состоянии, максимальное затухание входного сигнала в закрытом состоянии, минимальная неравномерность вносимого затухания в полосе рабочих частот.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание электрически управляемого СВЧ аттенюатора с дискретной регулировкой затухания входного сигнала с минимальным затуханием входного сигнала в открытом состоянии, максимальным затуханием входного сигнала в закрытом состоянии, минимальной неравномерность вносимого затухания в полосе рабочих частот.
Достигаемый технический результат - минимальное затухание входного сигнала в открытом состоянии, максимальное затухание входного сигнала в закрытом состоянии, минимальная неравномерность вносимого затухания в полосе рабочих частот.
Технический результат достигается тем, что в электрически управляемом СВЧ аттенюаторе, содержащем линию передачи с входным и выходным волноводным фланцами, периодически включенными pin -диодами, конструктивно закрепленными в каскадно-соединенных диафрагмах, и узел управления, выполненный в составе контактов для подключения внешнего источника питания, контактов для подключения дискретных сигналов управления затуханием в аттенюаторе, конденсаторов для обеспечения подавления возможных помех в цепи питания, ограничительных резисторов в цепях управления затуханием аттенюатора, конденсатора для подавления возможных помех в цепи управления первой диафрагмой, диодов в цепи подключения внешнего источника питания, резисторов ограничителей тока через pin - диоды первой диафрагмы, резисторов ограничителей тока через pin - диоды второй диафрагмы, транзисторов дискретного управления током pin - диодов первой диафрагмы, транзисторов дискретного управления током pin - диодов второй диафрагмы, транзисторов дискретного управления одновременно током pin - диодов первой и второй диафрагм, конденсатора для подавления возможных помех в цепи управления второй диафрагмой, потенциометра регулировки перераспределения токов между pin - диодами первой и второй диафрагм, резистора в цепи подачи смещения на транзисторы дискретного управления токами pin - диодов первой и второй диафрагм, переменного резистора регулировки токов одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, резистора ограничителя тока одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, резистора в цепи подачи смещения на транзистор дискретного управления током одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, причем первая и вторая диафрагмы из состава линии передачи соединены последовательно, СВЧ вход первой диафрагмы соединен со входным волноводным фланцем, а СВЧ выход второй диафрагмы соединен с выходным волноводным фланцем, первые входы первой и второй диафрагм соединены с корпусом и минусом внешнего источника питания, плюсовой и минусовой контакты, предназначенные для подключения внешнего источника питания, соединены между собой конденсатором, обеспечивающим подавление возможных помех с внешнего источника питания, дополнительно плюсовой контакт соединен с катодом диода, анод которого соединен с резисторами ограничителями тока через pin - диоды первой и второй диафрагм, эмиттерами транзисторов дискретного управления током pin - диодов первой и второй диафрагм, резистором в цепи подачи смещения на транзисторы дискретного управления токами pin - диодов первой и второй диафрагм, резистором в цепи подачи смещения на транзистор дискретного управления токами одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, второй вход первой диафрагмы соединен с конденсатором для подавления возможных помех в цепи управления первой диафрагмы, второй вывод которого соединен с корпусом и минусом внешнего источника питания, с резистором ограничителем тока через pin - диоды первой диафрагмы, второй вывод которого соединен с анодом диода, резистором ограничителем тока через pin - диоды первой диафрагмы, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора дискретного управления током pin - диодов первой диафрагмы, с первым выводов потенциометра регулировки перераспределения токов между pin - диодами первой и второй диафрагм, второй вывод потенциометра регулировки перераспределения токов между pin - диодами первой и второй диафрагм соединен со вторым входом второй диафрагмы, который дополнительно соединен с конденсатором для подавления возможных помех в цепи управления второй диафрагмы, второй вывод конденсатора соединен с корпусом и минусом источника внешнего питания, резистором ограничителем тока через pin - диоды второй диафрагмы, второй вывод которого соединен с анодом диода, резистором ограничителем тока через pin - диоды второй диафрагмы, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора дискретного управления током pin - диодов второй диафрагмы, базы транзисторов дискретного управления током pin - диодов первой и второй диафрагм через резистор соединены с анодом диода и дополнительно через ограничивающие резисторы с контактами, на которые подаются сигналы управления, третий вывод потенциометра соединен с переменным резистором регулировки токов одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, второй вывод которого последовательно соединенным с резистором ограничителем тока одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм и коллектором транзистора дискретного управления током одновременно pin -диодов первой и второй диафрагм.
Сущность изобретения поясняется с помощью структурной схемы представленной на фиг. 1.
Электрически управляемый СВЧ аттенюатор с дискретной регулировкой затухания входного сигнала (далее аттенюатор) содержит линию передачи 1 с входным 2 и выходным 5 волноводными фланцами, периодически включенными pin - диодами, конструктивно закрепленными в каскадно-соединенных диафрагмах 3 и 4, узел управления 6, состоящий из контактов 7 и 8, предназначенных для подключения внешнего источника питания, контактов 9 и 10, предназначенных для подключения дискретных сигналов управления затуханием аттенюатора, конденсатора 11 для обеспечения подавления возможных помех в цепи подключения внешнего источника питания, ограничительных резисторов 12 и 13 по цепям управления затуханием аттенюатора, конденсатора 14 для подавления возможных помех в цепи управления первой диафрагмы, диода 15 в цепи подключения внешнего источника питания, резисторов 16 и 17 ограничителей тока через pin - диоды первой диафрагмы, резисторов 22 и 25 ограничителей тока через pin - диоды второй диафрагмы, транзистора 18 дискретного управления током pin -диодов первой диафрагмы, транзистора 23 дискретного управления током pin - диодов второй диафрагмы, транзистора 27 дискретного управления одновременно током pin - диодов первой и второй диафрагм, конденсатора 19 для подавления возможных помех в цепи управления второй диафрагмы, потенциометра 20 регулировки перераспределения токов между pin - диодами первой и второй диафрагм, резистора 21 в цепи подачи смещения на транзисторы дискретного управления токами pin - диодов первой и второй диафрагм, переменного резистора 24 регулировки токов pin - диодов первой и второй диафрагм, резистора 26 ограничителя тока pin - диодов одновременно первой и второй диафрагм, резистора 28 в цепи подачи смещения на транзистор дискретного управления током одновременно pin - диодов первой и второй диафрагм, причем первая 3 и вторая 4 диафрагмы из состава волноводной линии передачи соединены последовательно, СВЧ вход первой диафрагмы соединен со входным волноводным фланцем 2, а СВЧ выход второй диафрагмы соединен с выходным волноводным фланцем 5, первый вход первой 3 и второй 4 диафрагм соединены с корпусом и минусом внешнего источника питания, плюсовой 8 и минусовой 7 контакты соединены между собой конденсатором 11, дополнительно плюсовой контакт 8 соединен с катодом диода 15, анод которого соединен с резисторами 16 и 25, эмиттерами транзисторов 18 и 23 и эмиттером транзистора 27, резистором 21 и резистором 28, второй вход первой диафрагмы 3 соединен с конденсатором 14, второй вывод которого соединен с корпусом и минусом внешнего источника питания, с резистором 16, второй вывод которого соединен с анодом диода 15, с резистором 17, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора 18, с первым выводом потенциометра 20, второй вывод потенциометра 20 соединен со вторым входом второй 4 диафрагмы, который дополнительно соединен с конденсатором 19, второй вывод которого соединен с корпусом и минусом внешнего источника питания, с резистором 25, второй вывод которого соединен с анодом диода 15, с резистором 22, второй вывод которого соединен с коллектором транзистора 27, базы транзисторов 18 и 23 через резистор 21 соединены с анодом диода и дополнительно через ограничивающие резистор 12 с контактом 9, база транзистора 27 через резистор 28 соединена с анодом диода и дополнительно через ограничивающие резистор 13 с контактом 10, третий вывод потенциометра соединен с переменным резистором 24, второй вывод которого последовательно соединен с резистором 26 и коллектором транзистора 27. Линия передачи 1 и узел управления 6 конструктивно расположены в едином корпусе.
Электрически управляемый СВЧ аттенюатор с дискретной регулировкой затухания входного сигнала обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.
Электрически управляемый СВЧ аттенюатор с дискретной регулировкой затухания входного сигнала, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.
Электрически управляемый СВЧ аттенюатор с дискретной регулировкой затухания входного сигнала работает следующим образом.
Работа аттенюатора начинается с подачи внешнего питания на контакты 7, 8 узла управления 6 и входного сигнала на входной волноводный фланец 2 линии передачи 1. Аттенюатор имеет цифровое управление 2-х разрядным кодом. Количество дискретных величин затухания входного сигнала в аттенюаторе равно 4. Сигналы управления на контактах 9, 10 принимают значения 00, 01, 10 и 11, где уровень сигнала «0» соответствует уровню напряжения для логического «0» ТТЛ уровня, а уровень сигнала «1» соответствует уровню напряжения для логической «1» ТТЛ уровня. При подаче на контакты 9, 10 напряжений, уровень которых соответствует уровню для сигнала логического нуля, транзисторы 18, 23, 27 открываются и через pin -диоды диафрагм 3, 4 течет максимально возможный, для данной схемы, ток, значение которого равно сумме токов, ограничение которых определяется резисторами 16, 17, 24, 26, а также положением органа регулировки потенциометра 20 для pin -диодов диафрагмы 3 и резисторами 22, 25, 24, 26, а также положением органа регулировки потенциометра 20 для pin - диодов диафрагмы 4. В данном случае затухание будет иметь минимальное значение. Резисторы 16, 25 имеют достаточно большие сопротивления, чтобы не допустить значение токов через pin - диоды, приводящие к уменьшению затухания входного сигнала в максимально закрытом состоянии. Для случая, когда необходимо обеспечить конкретное значение минимального сигнала, сопротивление данных резисторов выбирается из соображений обеспечения необходимого тока через данные резисторы. Для случая, когда на контакт 9 подается напряжение соответствующее уровню для сигнала логического нуля, а на контакт 10 подается напряжение, соответствующее уровню для сигнала логической единицы, транзисторы 18, 23 открываются и через pin -диоды диафрагм 3, 4 течет ток, значение которого равно сумме токов, ограничение которых определяется резисторами 16, 17 для pin -диодов диафрагмы 3 и резисторами 22, 25 для pin -диодов диафрагмы 4. В данном случае затухание в pin -диодах диафрагм 3, 4 будет иметь значение, определяемое суммой токов, ограничение которых определяется резисторами 16, 17, а также положением органа регулировки потенциометра 20 для pin -диодов диафрагмы 3, а в pin -диодах диафрагмы 4 затухание будет иметь значение, определяемое токами, ограничиваемыми резисторами 22, 25, а также положением органа регулировки потенциометра 20, так как в этом случае ток через резисторы 24, 26 протекать не будет из-за закрытого транзистора 27. В итоге суммарный ток через pin - диоды диафрагм 3,4 будет уменьшен, что приведет к увеличению затухания сигнала в pin - диодах каскадно соединенных диафрагм, а следовательно, и в аттенюаторе в целом. При этом в аттенюаторе будет обеспечено затухание, соответствующее второму дискретному значению. Для случая, когда на контакт 9 подается напряжение, соответствующее уровню для сигнала логической единицы, а на контакт 10 подается напряжение, соответствующее уровню для сигнала логического нуля, ток через pin - диоды диафрагм 3, 4 будет определяться ограничивающими резисторам 16, 25, 24, 26, а также положением органа регулировки потенциометра 20, так как в данном случае транзисторы 18, 23 будут закрыты, а транзистор 27 открыт. При этом в аттенюаторе будет обеспечено затухание, соответствующее третьему дискретному значению. При подаче на контакты 9, 10 напряжений, уровень которых соответствует уровню для сигнала логической единицы транзисторы 18, 23, 27 закрываются и через pin - диоды диафрагм 3, 4 течет минимально возможный ток, значение которого будет определяться резисторами 16 и 25, а также положением органа регулировки потенциометра 20. При этом в аттенюаторе будет обеспечено максимальное затухание, соответствующее четвертому дискретному значению.
Введение в состав схемы узла управления: контактов 7-10, конденсаторов 11, 14, 19, диода 15, резисторов 16,17, потенциометра 20, резисторов 21,22, переменного резистора 24, резисторов 25, 26, 28, транзисторов 18, 23, 27 позволило обеспечить не только дискретное переключение уровня затухания в аттенюаторе, но и лучшее согласование pin -диодов, с волноводной линией передачи. Конструктивно pin - диоды закреплены на диафрагмах, изготовленных с использованием полиимидной пленки, устанавливаемых непосредственно в волноводный канал. Лучшее согласование достигается оптимальным распределением токов управления pin - диодами между диафрагмами (каскадами), при дискретном переключении величины затухания входного сигнала. Оптимальное распределение токов при дискретном переключении величины затухания входного сигнала в аттенюаторе обеспечивается не только возможностью изменения токов при переключении индивидуально в каждом каскаде, но и дополнительного перераспределения токов с помощью потенциометра. Лучшее согласование pin -диодов из состава аттенюатора с волноводной линией передачи позволяет уменьшить потери в открытом состоянии, получить большее затухание в закрытом состоянии и уменьшить неравномерность вносимого затухания в широкой полосе рабочих частот. Дополнительно введенный в состав узла управления 6 диод 15 выбран таким образом, что имеет характеристику зависимости потерь от температуры близкую к обратной характеристики pin -диодов, что обеспечивает не только защиту аттенюатора от переплюсовки питающего напряжения, но и лучшую температурную стабильность.
Изготовлен опытный образец электрически управляемого СВЧ аттенюатора с дискретной регулировкой затухания входного сигнала. Настройка и испытания опытного образца, в том числе механические и климатические, подтвердили достижение заданных характеристик. В настоящее время аттенюатор изготавливается серийно.