ПЕРЕДАТЧИК СВЧ С ОПТИМАЛЬНОЙ УСТАНОВКОЙ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ
MICROWAVE TRANSMITTER WITH OPTIMAL SETTING OF OUTPUT CAPACITY

Изобретение предназначено для работы на летающих объектах в составе передатчиков СВЧ мощности радиолокационных станций (РЛС), использующих доплеровскую обработку сигналов.
Из уровня техники известен передатчик СВЧ (патент RU №2208909, опубликован 2003.07.20, МПК Н04В 1/00, Н05K 7/20). Передатчик СВЧ содержит задающий генератор, развязывающий прибор, p-i-n аттенюатор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник тока, дискриминатор, источник питания и модулятор, систему охлаждения с замкнутым жидкостным контуром. Данный передатчик СВЧ позволяет повысить эффективность работы за счет улучшения отвода тепла от блоков передатчика и улучшения массогабаритных характеристик, но не решает задачу обеспечения оптимальной входной мощности на входе передатчика СВЧ, снижения уровня шумов на выходе.
Известен усилитель импульсной СВЧ-мощности (свидетельство на полезную модель №16238, опубликовано 2000.12.10, МПК H03F 3/58), содержащий лампу бегущей волны (ЛБВ), коллекторный вывод которой подключен к положительной шине коллекторного источника питания, а отрицательная шина коллекторного источника питания подключена к катоду ЛБВ, анодный источник питания, отрицательная шина анодного источника питания соединена с положительной шиной коллекторного источника питания, положительная шина анодного источника питания соединена с положительным выводом регулирующего каскада высоковольтного стабилизатора, отрицательный вывод которого соединен с корпусом, а управляющий вход с регулирующим выходом делителя напряжения, один вывод которого соединен с катодом ЛБВ, а второй - с корпусом, общий вывод источника питания модулятора соединен с катодом ЛБВ, отрицательная шина источника питания модулятора соединена с выходом первого ключа, а положительная шина - с входами второго и третьего ключей, вход первого ключа соединен с выходом третьего ключа, второй управляющей сеткой ЛБВ и через разделительный диод с первой управляющей сеткой ЛБВ, которая соединена с анодом разделительного диода, с выходом второго ключа и через разрядный резистор с выходом первого ключа, управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого пускового устройства, вход которого соединен с выходом коммутатора, управляющий вход второго ключа соединен с выходом второго пускового устройства, вход которого соединен с первым входом коммутатора и разъемом "коротких" импульсов, управляющий вход третьего ключа соединен с выходом третьего пускового устройства, вход которого соединен с выходом инвертора, вход инвертора соединен с разъемом запуска "длинных" импульсов и вторым входом коммутатора. Данный усилитель импульсной СВЧ-мощности расширяет функциональные возможности усилителя, но не обеспечивает повышения надежности работы ЛБВ в составе усилителя СВЧ.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является передатчик СВЧ (патент RU №2187880, опубликован 2002.08.20, МПК Н03В 9/06). В состав передатчика СВЧ между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n аттенюатора включены частотный дискриминатор и управляемый от дискриминатора источник тока. Источник тока обеспечивает стабилизацию постоянного тока через p-i-n аттенюатор и, как следствие, стабилизирует входную мощность и снижает уровень шумов усилителя СВЧ. Управление источником тока осуществляется от дискриминатора, который формирует частотно-зависимое напряжение управления током p-i-n аттенюатора. К недостаткам данного передатчика СВЧ можно отнести то, что при получении оптимальной выходной мощности в диапазоне частот и снижении уровня амплитудных и фазовых шумов не удается обеспечить оптимальную выходную мощность на несущих частотах.
Передатчики, применяемые в радиолокационных станциях, работают в широком частотном диапазоне с целью устранения взаимных помех при одновременной работе нескольких РЛС и защите от активных помех на несущей частоте. Для этого в РЛС предусматривается возможность изменения несущих частот. Поэтому передатчик реально может работать на нескольких десятках несущих частот в широком частотном диапазоне. В прототипе широкий частотный диапазон делится на несколько узких частотных поддиапазонов и устанавливается средняя для этого частотного поддиапазона входная оптимальная мощность. Но в частотном поддиапазоне может оказаться две или несколько несущих частот, поэтому на одной несущей частоте величина входной мощности недостаточна, а на другой она избыточна.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на существенное улучшение характеристик РЛС: обеспечение максимальной выходной мощности передатчика СВЧ на несущих частотах, снижение уровня шумов, повышение надежности работы лампы бегущей волны (ЛБВ) в составе передатчика СВЧ с оптимальной установкой выходной мощности.
Указанный технический результат достигается тем, что передатчик с оптимальной установкой выходной мощности (передатчик) содержит развязывающий прибор, p-i-n аттенюатор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник питания и модулятор. При этом он отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит волновод подачи входного СВЧ сигнала, дешифратор кода частоты, контакт разъема для подачи кодов номера несущей частоты, контакт разъема для подключения технологического интерфейса. Причем дешифратор кода частоты включает последовательно соединенные согласующее устройство, устройство управления, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый источник тока.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала соединен с входом развязывающего прибора, выход развязывающего прибора соединен с первым входом p-i-n аттенюатора, второй вход p-i-n аттенюатора соединен с выходом управляемого источника тока, выход р-i-n аттенюатора соединен со вторым входом усилителя СВЧ, выход усилителя СВЧ соединен с входом нагрузки, выход источника питания и модулятора соединен с первым входом усилителя СВЧ, контакт разъема для подачи кодов номера несущей частоты соединен с входом согласующего устройства, контакт разъема для подключения технологического интерфейса соединен со вторым входом устройства управления.
На Фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого передатчика СВЧ с оптимальной установкой выходной мощности, который включает: волновод подачи входного СВЧ сигнала W1 1, контакт разъема для подачи кодов номера частоты 2, развязывающий прибор 3, p-i-n аттенюатор 4, усилитель СВЧ 5, нагрузку 6, источник питания и модулятор 7, дешифратор кода частоты 8, контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9.
Дешифратор кода частоты 8 содержит последовательно соединенные согласующее устройство 10, устройство управления 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12, управляемый источник тока 13.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала W1 1 соединен с входом развязывающего прибора 3, контакт разъема для подачи кодов номера несущей частоты 2 соединен с входом согласующего устройства 10, выход развязывающего прибора 3 соединен с первым входом p-i-n аттенюатора 4, второй вход p-i-n аттенюатора 4 соединен с выходом управляемого источника тока 13, выход p-i-n аттенюатора 4 соединен со вторым входом усилителя СВЧ 5, выход усилителя СВЧ 5 соединен с входом нагрузки 6, выход источника питания и модулятора 7 соединен с первым входом усилителя СВЧ 5, контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 соединен со вторым входом устройства управления 11.
Работа передатчика СВЧ с оптимальной установкой выходной мощности осуществляется следующим образом. По команде с бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) в задающем генераторе радиолокационной станции формируется сверхвысокочастотный (СВЧ) сигнал несущей частоты. СВЧ сигнал с задающего генератора БРЛС через волновод подачи входного СВЧ сигнала W1 1 поступает на развязывающий прибор 3.
Развязывающий прибор 3 представляет собой циркулятор и служит для защиты задающего генератора от обратной волны, отраженной от входа ЛБВ (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.406-430; под редакцией А.М.Чернушенко. Конструкция СВЧ устройств и экранов, М. - Радио и связь, 1983 г., с.78-207.). После чего сигнал через p-i-n аттенюатор 4 поступает на усилитель СВЧ 5 для усиления и далее в нагрузку 6 или на антенну.
Усилитель СВЧ 5 выполнен на лампе бегущей волны (ЛБВ). ЛБВ по совокупности важнейших параметров, включая полосу пропускания рабочих частот, коэффициент усиления, среднюю мощность, КПД, высокую стабильность частоты и фазы, низкий уровень шумов, значительное ослабление уровня выходного сигнала в паузе между импульсами, прочность и компактность конструкции, превосходит другие виды усилительных устройств СВЧ (Кукарин С.В. Электронные СВЧ приборы. - М., Радио и связь, 1981 г., с.64-100. Кацман Ю.А. Приборы СВЧ. - М., Высшая школа, 1983 г., с.196-264. Под редакцией Скольника М., Справочник по радиолокации, т.3. - М., Советское радио, 1979 г., с.7-127.). Поэтому в качестве выходного усилительного каскада передатчика использована импульсная лампа бегущей волны. Оптимальный уровень входной мощности ЛБВ устанавливается в технических условиях на ЛБВ. Невыполнение указанного требования приводит к перегреву замедляющей системы из-за явления динамической расфокусировки и уменьшения рабочего диапазона частот из-за явления недонасыщения и перенасыщения входным сигналом (ОСТ 110348-86, с.17).
В доплеровских РЛС предъявляются жесткие требования к уровню шумов на выходе передатчика. Для снижения уровня шумов входная мощность ЛБВ должна быть оптимальной.
На Фиг.2 изображена зависимость выходной мощности от входной мощности передатчика СВЧ на ЛБВ. Уменьшение выходной мощности, происходящее, начиная с некоторого ее значения, связано с тем, что входной сигнал не обеспечивает оптимальной фокусировки электронного потока в сгустки. Происходит слишком быстрое их формирование и при своем дальнейшем движении вдоль замедляющей системы сгустки тормозятся и выпадают из синхронизма. При этом происходит расфокусировка сгустков, искажается форма огибающей СВЧ импульса, возникает паразитная модуляция, увеличивается ток замедляющей системы ЛБВ. Для получения оптимального по выходной мощности режима входная мощность должна быть такой, чтобы формирование сгустков заканчивалось в конце замедляющей системы, у ее выхода. При оптимальной входной мощности шумы имеют минимальное значение (Вамберский М.В. Передающие устройства СВЧ. - М.: Высшая школа, 1984 г., с.238-249.).
Источник питания 7 осуществляет формирование всех питающих напряжений для усилителя СВЧ 5 (Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. - М., Радио и связь, 1986 г., с.121-208.). Модулятор 7 производит модуляцию ЛБВ усилителя СВЧ 5 по управляющему электроду.
Установку оптимальной входной мощности на входе ЛБВ на всех несущих частотах и, как следствие, получение оптимальной выходной мощности передатчика обеспечивают дешифратор кода частоты 8 (дешифратор) совместно с p-i-n аттенюатором 4.
Дешифратор кода частоты 8 выполнен на отдельной печатной плате. Дешифратор кода частоты 8 работает в двух режимах: регулировки и штатном (в составе БРЛС). Признаком включения режима регулировки является наличие подключенного к дешифратору технологического интерфейса через контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9.
На этапе регулировки дешифратора необходимо для каждой несущей частоты подобрать управляющий код, при котором фиксируется оптимальная величина выходной мощности при допустимой величине тока замедляющей системы ЛБВ. Данные коды запоминаются во внутренней FLASH памяти устройства управления 11. При этом каждой несущей частоте соответствует свой адрес ячейки памяти.
При работе дешифратора в штатном режиме на контакты разъема для подачи кодов номера несущей частоты 2 поступают коды номера этой несущей частоты с задающего генератора БРЛС. Код номера этой несущей частоты через согласующее устройство 10 поступает на устройство управления 11 и определяет адрес ячейки FLASH памяти, в которой хранится ранее установленный при регулировке для данной несущей частоты управляющий код.
Входной сигнал (уровней ТТЛ) в виде цифрового кода номера несущей частоты с задающего генератора БРЛС в штатном режиме поступает на контакт разъема для подачи кодов номера несущей частоты 2 передатчика и далее на вход согласующего устройства 10 дешифратора кода частоты 8.
Согласующее устройство 10 предназначено для преобразования уровней ТТЛ входных сигналов дешифратора кода частоты 8 в уровни LVTTL (стандарт LVTTL, низковольтная транзисторно-транзисторная логика 3,3V), необходимые для работы устройства управления 11. Согласующее устройство 10 выполнено на микросхемах SN74AHC14PWRG4. Преобразованный сигнал с согласующего устройства 10 поступает в устройство управления 11.
Устройство управления 11 выполнено на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) фирмы Altera EPM1270T 144I5, имеющей в своем составе FLASH память и встроенный генератор опорных сигналов (Антонов А.П. Язык описания цифровых устройств. Altera HDL. - М.: Радио Софт, 2001 г., с.69-171.). Устройство управления 11 управляет цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) 12. С выхода устройства управления 11 эти коды по последовательной линии передачи данных транслируются в ЦАП 12. Для синхронизации последовательной линии передачи данных используется встроенный генератор опорных сигналов устройства управления 11 (ПЛИС). ЦАП 12 выполнен на микросхеме AD5320BRTZ. Преобразованный сигнал с выхода ЦАП 12 поступает на управляемый источник тока 13, преобразующий напряжение в ток для управления p-i-n диодом в p-i-n аттенюаторе 4. Управляемый источник тока 13 выполнен на микросхемах 140УД20Б (Кар Дж. Проектирование и изготовление электронной аппаратуры. - М.: Мир, 1980 г., с. 126-135, 235-257.).
Перед установкой дешифратора кода частоты 8 в передатчик производят программирование ПЛИС устройства управления 11. В компьютер устанавливается специально разработанная программа. Компьютер с помощью программатора USB Blaster Altera через контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 подключается к дешифратору 8 на второй вход устройства управления 11. По этой программе устанавливается необходимая для работы конфигурация ПЛИС и затем в ее ячейки FLASH памяти записываются коды, соответствующие максимальному затуханию p-i-n аттенюатора 4. Максимальное затухание p-i-n аттенюатора 4 устанавливается для исключения подачи на этапе регулировки сигнала СВЧ большой мощности на вход ЛБВ, что приведет к ее отказу. После программирования дешифратор кода частоты 8 устанавливают в передатчик.
На этапе регулировки дешифратора контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 подключают к технологическому интерфейсу, соединенному через адаптер с компьютером, входящими в состав рабочего места регулировки передатчика. Адаптер предназначен для преобразования универсальной последовательной шины (USB) в шину SMI и выполнен на основе микропроцессора (микросхема АТ89С5131А - S3SIM фирмы ATMEL). Технологический интерфейс SMI представляет собой последовательную синхронную трехпроводную шину (сигналы MDC, MDIO и шина GND).
В процессе регулировки передатчика из компьютера через адаптер и технологический интерфейс типа SMI (Serial Management Interface, Спецификация IEE 802.3u сетевой технологии Ethernet от 1995), через контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 поступают на второй вход устройства управления 11 управляющие коды (цифровой код) управления током p-i-n диода p-i-n аттенюатора 4.
На волновод подачи входного СВЧ сигнала W1 1 с СВЧ генератора (входит в состав рабочего места настройки передатчика) подают СВЧ сигнал с частотой, соответствующей одной из несущих частот.
На дисплее компьютера выбирают номер несущей частоты и подбирают управляющий код, при котором управляемый источник тока 13 дешифратора кода частоты 8 выдает такой величины ток управления p-i-n диодом p-i-n аттенюатора 4, при котором фиксируется оптимальная величина выходной мощности передатчика при допустимой величине тока замедляющей системы ЛБВ. Аналогичным образом устанавливают управляющие коды для всех несущих частот. Далее адаптер и технологический интерфейс типа SMI отсоединяют от контакта разъема для подключения технологического интерфейса 9 (Уэйкерли Джон Ф. Проектирование цифровых устройств, том 1, издательство Москва, 2002 г.). После чего дешифратор готов к работе в штатном режиме.
При работе дешифратора в штатном режиме также на волновод подачи входного СВЧ сигнала W1 1 подают СВЧ сигнал несущей частоты, а на контакт разъема для подачи кодов номера несущей частоты 2 поступают коды номера этой несущей частоты (цифровой код уровней ТТЛ) с задающего генератора БРЛС. Код номера этой несущей частоты через согласующее устройство 10 поступает на устройство управления 11 и определяет адрес ячейки FLASH памяти, в которой хранится ранее установленный для данной несущей частоты управляющий код. Этот код по последовательной линии передачи данных транслируется в ЦАП 12 для преобразования и далее на управляемый источник тока 13, который управляет затуханием p-i-n аттенюатора 4, что приводит к установке оптимальной для данной частоты входной мощности на входе ЛБВ и, как следствие, к оптимальной установке выходной мощности передатчика. Время срабатывания схемы от момента подачи на вход нового цифрового кода до момента получения с выхода ЦАП 12 соответствующего коду значения напряжения не более 20 мкс.
При проведении опытных работ на выходе передатчика в сантиметровом диапазоне волн на несущих частотах получены следующие результаты: импульсная выходная мощность сигнала 16000 Вт, спектральная плотность амплитудных шумов (в полосе 1 Гц) - минус 125 дБ, спектральная плотность фазовых шумов (в полосе 1 Гц) - минус 100 дБ. Таким образом, выполнение передатчика по предлагаемой схеме (в сочетании с вышеописанным дешифратором кода частоты) позволяет добиться подачи оптимальной входной мощности на входе усилителя СВЧ на несущих частотах, что приводит к оптимальной установке выходной мощности передатчика, снижению уровня шумов на выходе, а также повысить надежность работы ЛБВ за счет уменьшения токов замедляющей системы.