Способ подавления зеркальной помехи и устройство для его осуществления
METHOD FOR SUPPRESSION OF MIRROR INTERFERENCE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при создании приемных устройств РЛС СВЧ-диапазона супергетеродинного типа с верхней настройкой частоты гетеродина.
При проектировании приемных устройств супергетеродинного типа обязательным требованием является подавление зеркальной помехи, при этом необходимо исключение ее поступления в выходные каскады передающего устройства через Y-циркулятор.
Известен способ подавления зеркальной помехи [Тарасов, В.Н. СВЧ приемники см- и мм-диапазона с фазовым подавлением зеркального канала / В.Н. Тарасов и др. // Электроника и микроэлектроника СВЧ. - 2015. - №1(1). - С. 196, рис. 2], выбранный за аналог.
Сущность способа-аналога состоит в фазовом подавлении зеркальной помехи, осуществляемом в смесителе в процессе преобразования принимаемого сигнала в сигнал промежуточной частоты.
Недостатком данного способа является малая величина подавления зеркальной помехи.
Данный недостаток связан с ограниченными возможностями смесителя с фазовым подавлением сигнала зеркальной помехи, обусловленными разбросом параметров входящих в него активных элементов, ошибками фазы и амплитуды делителей и сумматоров мощности.
Известен способ подавления зеркальной помехи [Импульсная РЛС S диапазона / А.А. Баров и др. [Электронный ресурс]: URL: http://www.biakom.com>hfuhf_engineering_impulse-s-band-radar], выбранный за аналог.
Сущность данного способа-аналога состоит в полосно-пропускающей фильтрации принимаемого сигнала и режекторной фильтрации зеркальной помехи, осуществляемых после малошумящего усиления перед преобразованием принимаемого сигнала в сигнал промежуточной частоты.
Данный способ-аналог имеет следующие недостатки:
- возможность блокирования приемного устройства посторонними сигналами;
- снижение динамического диапазона принимаемых сигналов при наличии посторонних сигналов.
Оба недостатка обусловлены отсутствием предварительной фильтрации принимаемого сигнала перед малошумящим усилением.
Известен способ подавления зеркальной помехи [Патент РФ №2277751, МПК H03D 7/18. Способ преобразования частоты с подавлением зеркальной помехи и преобразователь для его осуществления; заявитель и патентообладатель Масленников В.И.; опубликован 10.06.2006], выбранный за аналог.
Сущность данного способа-аналога заключается в том, что входной сигнал смешивают с сигналом встроенного гетеродина и фильтруют фильтром промежуточной частоты, при этом перед смешиванием входной сигнал разветвляют на два канала, сигналы в каналах фазируют между собой так, чтобы полезный сигнал в них остался синфазным, а сигнал зеркальной помехи стал противофазным, затем сигналы суммируют. Полезный сигнал может предварительно проходить полосовую фильтрацию и усиление.
Данный способ-аналог имеет следующие недостатки:
- недостаточная величина подавления зеркальной помехи;
- эффективное подавление зеркальной помехи возможно только в узкой полосе частот;
- наличие ограничений на выбор численного значения частоты гетеродина.
Первый недостаток обусловлен неполной компенсацией зеркальной помехи при суммировании ввиду неидентичности зеркальных помех на входах сумматора, вызванной потерями сигнала в канале с фазированием.
Второй недостаток обусловлен сложностью обеспечения постоянного фазового сдвига в полосе частот зеркального канала.
Третий недостаток связан с тем, что значение частоты гетеродина выбирается так, чтобы частота несущей полезного сигнала была в четное число раз выше частоты несущей зеркальной помехи.
Известны способ подавления зеркальной помехи, лишенный недостатков способов-аналогов, и устройство, реализующее данный способ [Разработка функциональных узлов цифровой системы передачи [Электронный ресурс]. - URL: http://www.studbooks.net/2355441/tehnika/shema_postroeniya_vvdelitelya_nesuschey_chastoty#67. Рис. 2.7], выбранные за прототип.
Сущность способа-прототипа состоит в фильтрации принимаемого сигнала с подавлением зеркальной помехи за счет ее отражения, осуществляемых перед малошумящим усилением.
Недостатками способа-прототипа являются:
- повышенные потери сигнала перед малошумящим усилением, снижающие чувствительность приемного устройства;
- отсутствие развязки выхода передающего устройства от приемного устройства на частоте зеркальной помехи.
Первый недостаток обусловлен фильтрацией принимаемого сигнала до малошумящего усиления с потерями мощности в фильтре и вентиле, приводящими к увеличению коэффициента шума приемного устройства.
Второй недостаток обусловлен режекторной фильтрацией зеркальной помехи путем ее отражения и последующим прохождением в выходной каскад передающего устройства.
Устройство-прототип (фиг. 1) состоит из полосно-пропускающего фильтра (ППФ) 2 с режекцией сигнала зеркальной помехи (фиг. 2), вход которого развязан от входа приемного устройства ферритовым Y-циркулятором, обеспечивающим переключение антенны между приемником и передатчиком (Цирк вх) 1, и вентиля (Вент) 3, построенного на основе ферритового Y-циркулятора, осуществляющего развязку от малошумящего усилителя (МШУ) 4 (фиг. 1 и фиг. 3).
Устройство-прототип работает следующим образом.
Принимаемый антенной сигнал в виде полезного сигнала и зеркальной помехи через Y-циркулятор 1 поступает на вход ППФ 2, амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) которого имеет максимум на частоте принимаемого сигнала и минимум на частоте зеркальной помехи. Отраженная от полосно-пропускающего фильтра 2 зеркальная помеха поступает обратно в Y-циркулятор 1, а отфильтрованный полезный сигнал через вентиль 3 поступает на вход малошумящего усилителя 4.
Недостатками устройства-прототипа являются:
- повышенные потери сигнала перед малошумящим усилителем, снижающие чувствительность приемного устройства;
- отсутствие развязки выхода передающего устройства от приемного устройства по сигналу зеркальной помехи;
- значительные габариты и масса.
Первый недостаток вызван наличием во входной цепи приемного устройства вентиля 3 и полосно-пропускающего фильтра 2, потери в которых увеличивают коэффициент шума приемного устройства.
Второй недостаток обусловлен работой полосно-пропускающего фильтра на частоте зеркальной помехи на отражение, при котором мощные зеркальные помехи, могут через Y-циркулятор 1 попасть в передающий тракт.
Третий недостаток обусловлен применением во входной цепи приемного устройства для подавления зеркальной помехи двух отдельных конструктивно законченных узлов - вентиля 3 и полосно-пропускающего фильтра 2.
Техническим результатом предложенного изобретения являются пониженные потери полезного сигнала, повышенная развязка передающего устройства от приемного устройства на частоте зеркальной помехи, лучшие массогабаритные характеристики.
Технический результат достигается тем, что в способе подавления зеркальной помехи, включающем в себя полосно-пропускающую фильтрацию полезного сигнала и режекцию зеркальной помехи, осуществляемых перед малошумящим усилением, зеркальную помеху подавляют путем ее направления в нагрузку, в которой ее энергия будет поглощена, при этом полезный сигнал проходит далее для малошумящего усиления.
1
1
1
2
2
2
Технический результат достигается тем, что в устройстве подавления зеркальной помехи, включающем в себя вентиль на основе ферритового Y-циркулятора, содержащего микрополосковое Y-сочленение, расположенное между двух ферритовых элементов, цилиндрический магнит, согласующие цепи, резистор и металлическое основание при этом согласующая цепь в первом плече Y-циркулятора содержит первую емкость, первый контакт которой гальванически соединен с металлическим основанием, второй контакт гальванически соединен с первым выходом Y-сочленения, их общая точка гальванически соединена с первым контактом второй емкости, второй контакт которой подключен к первому контакту индуктивности, второй контакт которой является входом устройства; согласующая цепь в третьем плече Y-циркулятора идентична согласующей цепи первого плеча, но второй контакт индуктивности гальванически соединен с первым контактом резистора, второй контакт которого гальванически соединен с металлическим основанием, согласующая цепь второго плеча Y-циркулятора состоит из короткозамкнутого на одном конце отрезока коаксиальной линии с диэлектрическим керамическим заполнением с внешним проводником квадратного сечения и внутренним проводником круглого сечения длиной 0,25λ<<0,5λ, где λ - длина волны зеркальной помехи в диэлектрике, внутренний проводник открытого конца которой с помощью первой индуктивности гальванически соединен с открытым концом второй микрополосковой линии Y-сочленения, а внешний проводник этой линии гальванически соединен с металлическим основанием, и разомкнутого на обоих концах отрезока коаксиальной линии с диэлектрическим керамическим заполнением с внешним проводником квадратного сечения и внутренним проводником круглого сечения длиной 0,25λ<<0,5λ, где λ - длина волны полезного сигнала в диэлектрике, внутренний проводник которой с одного конца гальванически соединен с помощью второй индуктивности с вторым выходом Y-сочленения, а внешний проводник этой линии гальванически соединен с металлическим основанием, при этом внутренний проводник ее другого открытого конца является выходом устройства.
Способ и устройство, выбранные за прототип, поясняют чертежи, приведенные на фигурах 1-3.
Фигура 1. Функциональная схема, поясняющая способ-прототип.
C
З
Фигура 2. АЧХ ППФ с режекцией (ƒ - частота полезного сигнала, ƒ - частота зеркального канала).
Фигура 3. Электрическая схема устройства-прототипа.
Предлагаемые способ и устройство подавления зеркальной помехи поясняют чертежи, приведенные на фигурах 4-7.
Фигура 4. Функциональная схема, поясняющая предлагаемый способ.
Фигура 5. Электрическая схема предлагаемого устройства подавления зеркальной помехи.
C
З
Фигура 6. Зависимости величин прямых потерь и КСВн от частоты в предлагаемом устройстве подавления зеркальной помехи при прохождении сигнала из первого плеча Y-циркулятора во второе (а, б), из второго плеча Y-циркулятора в третье (в, г) (ƒ - частота полезного сигнала, ƒ - частота зеркального канала).
Фигура 7. Конструкция предлагаемого устройства подавления зеркальной помехи. Для сравнения на фиг. 7б показана конструкция устройства- прототипа без магнитной системы.
На фигурах 1, 3, 4, 5, 7 приняты следующие обозначения:
1 - ферритовый Y-циркулятор (Цирк вх);
2 - полосно-пропускающий фильтр с режекцией (ППФ);
3 - ферритовый вентиль (Вент);
4 - малошумящий усилитель (МШУ);
5 - микрополосковое Y-сочленение;
0
6-8 - собственная индуктивность микрополоскового Y-сочленения L;
11
12
9 и 10 - первая С и вторая С емкости в согласующей цепи 1-го плеча Y-циркулятора;
1
11 - индуктивность L в согласующей цепи 1-го плеча Y-циркулятора;
21
22
12 и 13 - первая С и вторая С емкости в согласующей цепи 2-го плеча Y-циркулятора устройства-прототипа;
14 - индуктивность в согласующей цепи 2-го плеча Y-циркулятора устройства-прототипа;
31
32
15 и 16 - первая С и вторая С емкости в согласующей цепи 3-го плеча Y-циркулятора;
3
17 - индуктивность L в согласующей цепи 3-го плеча Y-циркулятора;
H
18 - согласованная нагрузка-резистор (СН) R;
19 - согласующая цепь 1-го плеча (СЦ1) Y-циркулятора;
20 - согласующая цепь 2-го плеча (СЦ2) Y-циркулятора;
21 - согласующая цепь 3-го плеча (СЦ3) Y-циркулятора;
21
22
22 и 24 - первая L и вторая L индуктивности в согласующей цепи 2-го плеча Y-циркулятора предлагаемого устройства;
1
23 - короткозамкнутый отрезок коаксиальной керамической линии Z в согласующей цепи 2-го плеча Y-циркулятора предлагаемого устройства;
25 - разомкнутый отрезок коаксиальной керамической линии в согласующей цепи 2-го плеча Y-циркулятора предлагаемого устройства;
26 - металлическое основание;
27 - ферритовые элементы;
28 - цилиндрический магнит;
29 - контактная плата СЦ1;
30 - контактная плата СЦ2;
31 - контактная плата СЦ3.
Предлагаемый способ подавления зеркальной помехи поясняет функциональная схема, приведенная на фигуре 4. Данный способ осуществляется следующим образом.
Входной сигнал в виде суммы принимаемого сигнала и зеркальной помехи поступает в 1-ое плечо Y-циркулятора (вход), входной импеданс которого согласован с трактом на частотах полезного сигнала и зеркальной помехи. Далее сигнал из 1-го плеча проходит во 2-ое плечо Y-циркулятора (выход), импеданс которого согласован с трактом на частоте полезного сигнала, а на зеркальной частоте сформирован полюс затухания. Следовательно, отраженная волна, соответствующая зеркальной помехе, направится в нагрузку (3-е плечо Y-циркулятора), согласованную на частотах полезного сигнала и зеркальной помехи.
Таким образом, полезный сигнал пройдет на вход малошумящего усилителя, а зеркальная помеха пройдет в нагрузку, в которой ее энергия будет поглощена.
Предлагаемое устройство подавления зеркальной помехи поясняют электрическая схема и конструкция, приведенные на фигуре 5 и 7.
1
1
1
2
2
2
Устройство подавления зеркальной помехи содержит Y-сочленение 5, расположенное между двумя ферритовыми элементами 27, устанавливаемыми на металлическое основание 26; размещенный сверху цилиндрический магнит 28; согласующие цепи 1-го, 2-го и 3-го плеч Y-циркулятора. Согласующая цепь 1-го плеча Y-циркулятора 19, содержит индуктивность 10 и емкости 9, 11. Согласующая цепь 2-го плеча Y-циркулятора 20, содержит индуктивности 22, 24, короткозамкнутый 23 и разомкнутый 25 отрезки коаксиальной керамической линии с внешними проводниками квадратного сечения и внутренними проводниками круглого сечения с заполнением керамическим материалом с значением диэлектрической проницаемости ε, выбранным исходя ходя из обеспечения оптимального размера линии на заданной частоте. Длина короткозамкнутого отрезка коаксиальной керамической линии 23 находится в интервале 0,25λ<<0,5λ, где λ - длина волны зеркальной помехи в диэлектрике. Длина разомкнутого отрезка коаксиальной керамической линии 25 находится в интервале 0,25λ<<0,5λ, где λ - длина волны полезного сигнала в диэлектрике. Согласующая цепь 3-го плеча Y-циркулятора 21, содержит индуктивность 17 и емкости 15, 16. Согласующая цепь 1-го плеча реализована на контактной плате 29, согласующая цепь 2-го плеча - на контактной плате 30, согласующая цепь 3-го плеча - на контактной плате 31. Резистор 18 установлен на металлическое основание 26.
Конструктивно (фигура 7) предлагаемое устройство подавления зеркальной помехи выполнено в виде вентиля, построенного на основе ферритового Y-циркулятора, согласующие цепи которого выполнены с применением как распределенных элементов - отрезков керамических коаксиальных линий, так и сосредоточенных элементов - индуктивностей и емкостей.
Данное устройство функционирует следующим образом.
1
11
12
Y
0
Принимаемый сигнал, состоящий из полезного сигнала и сигнала зеркальной помехи, через ферритовый Y-циркулятор, обеспечивающий переключение антенны между приемником и передатчиком (Цирк вх), поступает в согласующую цепь 1-го плеча Y-циркулятора 19, состоящую из индуктивности L и емкостей С, С, формирующую полосу Δƒ согласования импеданса 1-го входа микрополоскового Y-сочленения Z с входным трактом на частоте, равной ƒ так, что
Y
0
0
св
Значение Z определяется рабочей частотой ƒ, собственной индуктивностью полосковых линий Y-сочленения L, компонентами тензора магнитной проницаемости ферритовой среды μ и k, коэффициентом связи индуктивностей по магнитному потоку К, фактором невзаимного заполнения η [Сорокин, А.В. Проектирование малогабаритных ферритовых развязывающих СВЧ устройств на сосредоточенных элементах: дис. к.т.н.: 25.12.14 / Сорокин Александр Владимирович; ФГБОУ ВПО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева». - Н.Новгород, 2014. - 293 с.].
21
1
22
2
З
C
3
31
32
1
11
12
З
C
H
Таким образом, полезный сигнал и зеркальная помеха полностью поступают в 1-ое плечо Y-циркулятора, далее проходят во 2-ое плечо, в котором согласующая цепь 20 образована контурами LZ и LZ. Первый контур формирует полюс затухания на частоте зеркальной помехи ƒ, второй контур формирует полосу пропускания на частоте полезного сигнала ƒ. Таким образом, полезный сигнал поступает на выход устройства, а отраженный сигнал зеркальной помехи поступает в 3-е плечо Y-циркулятора, согласующая цепь которого 21 образованная индуктивностью L и емкостями С, С, идентичными L, С, С в согласующей цепи 1-го плеча Y-циркулятора, согласована на частотах зеркальной помехи ƒ и полезного сигнала ƒ с сопротивлением резистора R.
Расчет параметров согласующих цепей устройства подавления зеркальной помехи проводится с использованием методики расчета ферритовых Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах [Козлов, В.А. Проектирование широкополосных ферритовых Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах / В.А. Козлов, А.В. Сорокин // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2013. - Том 16. - №1.] с последующей оптимизацией параметров элементов согласующих цепей по заданным требованиям к прямым и обратным потерям и КСВн входа-выхода методами математического моделирования.
C
З
З
H
В качестве примера, на фигуре 6 приведены результаты расчета и оптимизации параметров устройства подавления зеркальной помехи с частотой полезного сигнала ƒ=1,9 ГГц и частотой зеркальной помехи ƒ=2,1 ГГц. На фигуре 6 видно, что полученные зависимости величин прямых потерь и КСВн от частоты в предлагаемом устройстве при прохождении сигнала из 1-го плеча Y-циркулятора во 2-ое обеспечивают пропускание входного сигнала в полосе частот Δƒ и отражение части сигнала в окрестностях частоты зеркального канала ƒ при прохождении сигнала из 2-го плеча Y-циркулятора в 3-е. Таким образом, полезный сигнал поступает на выход устройства (выход 2-го плеча Y-циркулятора), а сигнал зеркальной помехи поступает в 3-е плечо Y-циркулятора и рассеивается резистором R.
Практическая реализация устройства подавления зеркальной помехи может быть осуществлена с применением существующих методов проектирования ферритовых СВЧ Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах. В качестве ферритовых материалов могут быть использованы материалы типа 9СЧ, 9СЧ1 (иттрий-кальциевые гранаты), 10СЧ6, 10СЧ61 (иттриевые гранаты), 30СЧ3, 30СЧ31 (иттрий-алюминиевые гранаты), коаксиальные линии с заполнением высокодобротными керамическими материалами могут быть изготовлены из керамических материалов типа В100, В40, В20, производства ООО «Керамика» (г.С-Петербург). Применение подобных линий в согласующих цепях позволяет снизить потери пропускания и сформировать частотную характеристику устройства с большей добротностью и высокой температурной стабильностью центральной частоты, при этом широкая номенклатура существующих керамических материалов позволяет приблизить габаритные размеры устройства подавления зеркальной помехи до значений, соответствующих габаритным размерам серийных СВЧ Y-циркуляторов на сосредоточенных элементах. Так на фигуре 7 можно видеть, что конструктивно предлагаемое устройство может быть выполнено в корпусе ферритового вентиля устройства-прототипа (фиг. 7б) с минимальными доработками - заменой контактной платы 30.
Предлагаемый способ подавления зеркальной помехи и устройство для его осуществления, по сравнению с прототипами и аналогами, имеют следующие достоинства:
- значительное подавление зеркальной помехи, поступающей на выход передающего устройства;
- значительное подавление зеркальной помехи на входе малошумящего усилителя приемника;
- пониженные собственные потери на частоте полезного сигнала;
- малые габариты и масса.
Применение в приемопередатчике устройства подавления зеркальной помехи, построенного на основе Y-циркулятора с сосредоточенными и распределенными элементами с высокой частотной избирательностью по полезному сигналу и сигналу зеркальной помехи, позволяет, по сравнению с прототипом:
- улучшить массо-габаритные характеристики;
- снизить собственные потери полезного сигнала;
- снизить уровень зеркальной помехи, поступающей с входа приемного устройства на выход передающего устройства.
Таким образом, предлагаемый способ подавления зеркальной помехи и устройство для его осуществления обладают существенными преимуществами перед аналогами и прототипами.