КОММУТАЦИОННО-РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
SWITCHING-SEPARATION DEVICE

Предлагаемое коммутационно-разделительное устройство относится к области радиотехники, в частности к антенно-фидерным устройствам СВЧ, и предназначено для использования в бортовом радиооборудовании самолетов.
Традиционной задачей фидерных устройств СВЧ является решение задач передачи, распределения, фазирования и т.д. радиосигналов обслуживаемого радиооборудования к одной или нескольким антеннам, обеспечивающим требуемый обзор пространства. В тех случаях, когда для радиооборудования, в частности устанавливаемого на самолете, требуется обеспечить круговой обзор пространства в горизонтальной плоскости при горизонтальной поляризации поля, задача может быть решена только с помощью установки нескольких антенн - двух или более.
Для обеспечения независимой работы нескольких видов радиооборудования с этими антеннами используются коммутационно-разделительные устройства, в которые входят устройства переключения, гибридные распределительные устройства, частотно-разделительные устройства, делители мощности и т.д.
Функциональные возможности коммутационно-разделительных устройств определяются как набором соответствующих входящих устройств, их взаимной связью, так и их управлением. Важным требованием к таким коммутационно-разделительным устройствам является обеспечение оптимальных энергетических характеристик (потери, развязки, согласование, широкополосность) в совокупности с другими признаками.
В известных устройствах [1], [2], [3], являющихся аналогами предлагаемого технического решения, используемые для коммутации и распределения СВЧ-мощности устройства, в частности переключатели направлений, работают в традиционном режиме - поочередное включение одного из рабочих каналов. С целью расширения функциональных возможностей возникает необходимость одновременного включения нескольких рабочих каналов, например двух, что приводит к ухудшению энергетических характеристик коммутационно-разделительного устройства (ухудшение согласования, увеличение потерь мощности), что является существенным недостатком.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для разделения приемных и передающих каналов на работе на две антенны [3], в состав которого входят два разделительных фильтра приема-передачи, гибридные соединения и переключатель направлений (коммутатор). Разделительные фильтры подключены общими входами к каждой из антенн и соединены высокочастотными и низкочастотными выходами через переключатель с двумя гибридными соединениями, развязанные плечи одного из которых подключены к приемникам, другого - к передатчикам. Существенным недостатком прототипа является отсутствие возможности формирования суммарной диаграммы направленности с помощью двух передних антенн (трехантенной системы), обеспечивающих равносигнальную зону по направлению полета.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение энергетических характеристик коммутационно-разделительного устройства при одновременном увеличении его функциональных возможностей (обеспечение работы с равносигнальной зоной диаграммы направленности, совпадающей с осью самолета, обеспечение кругового обзора пространства с помощью трехантенной системы с приемопередатчиком и тремя радиоприемными устройствами).
Задача решается с помощью коммутационно-разделительного устройства, содержащего коммутатор и гибридные устройства, отличающегося тем, что оно дополнительно содержит еще два коммутатора, три четвертьволновых трансформатора сопротивлений, управляемый фазовращатель, тройник, гибридные устройства выполнены в виде трех направленных ответвителей, первый коммутатор выполнен на основе моста из p-i-n-диодов, второй и третий коммутаторы выполнены на основе полумостов из p-i-n-диодов, первый упомянутый трансформатор подключен между первым входом первого коммутатора и первым входом второго коммутатора, второй трансформатор - между вторым входом первого коммутатора и первым входом третьего коммутатора, а третий трансформатор - между третьим входом первого коммутатора и входом для подключения первого радиоприемного устройства, второй и третий входы второго коммутатора синфазно соединены с первым и вторым входами первого направленного ответвителя, третий вход первого направленного ответвителя подключен к первому входу второго направленного ответвителя, четвертый вход первого направленного ответвителя подключен к первому входу третьего направленного ответвителя, ко вторым входам второго и третьего направленных ответвителей подключены согласованные нагрузки, третьи входы второго и третьего направленных ответвителей через упомянутый тройник синфазно подключены к входу для подключения второго радиоприемного устройства, четвертые входы второго и третьего направленных ответвителей противофазно подключены к входам для подключения первой и второй антенн, второй вход третьего коммутатора соединен с входом для подключения третьего радиоприемного устройства, третий вход третьего коммутатора соединен с входом для подключения приемопередатчика, четвертый вход первого коммутатора через упомянутый фазовращатель подключен к входу для подключения третьей антенны.
Техническим результатом является создание коммутационно-разделительного устройства с улучшенными характеристиками и расширенными функциональными возможностями, обеспечивающего работу приемопередатчика и трех радиоприемных устройств с трехантенной системой.
На фиг.1 приведена электрическая функциональная схема предлагаемого коммутационно-разделительного устройства.
На фиг.2 приведены суммарные диаграммы направленности передних антенн (далее АН): на фиг.2,а - при противофазном питании, на фиг.2,б - при питании со сдвигом фаз -90°: 1) АН правая -90°, АН левая 0°, 2) АН правая 0°, АЛ левая -90°.
Коммутационно-разделительное устройство содержит (см. фиг.1) первый коммутатор 1, второй коммутатор 2 на два направления, третий коммутатор 3 на два направления, гибридные устройства в виде трех направленных ответвителей 4, 5, 6, управляемый фазовращатель 7 (0, 180°), тройник 8, три четвертьволновых трансформатора сопротивлений 9, 10 и 11.
Коммутационно-разделительное устройство имеет следующие входы для подключения других устройств: вход 21 для правой передней антенны, вход 22 для левой передней антенны, вход 23 для задней антенны, вход 24 для первого радиоприемного устройства, вход 25 для второго радиоприемного устройства, вход 26 для третьего радиоприемного устройства, вход 27 для приемопередатчика.
Первый коммутатор 1 выполнен на основе моста из p-i-n-диодов (на фиг.1 диоды обозначены VD5, VD6, VD7, VD8, VD15, VD16, VD17, VD18) и имеет четыре входа 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, которыми он соединен с элементами коммутационно-разделительного устройства. Второй коммутатор выполнен на основе полумоста из p-i-n-диодов (на фиг.1 VD11, VD12, VD13.VD14) и имеет три входа 2.1, 2.2 и 2.3. Третий коммутатор 3 выполнен на основе полумоста из p-i-n диодов (на фиг.1 VD1,VD2, VD3, VD4) и имеет три входа 3.1, 3.2 и 3.3.
Первый четвертьволновой трансформатор 9 подключен между первым входом 1.1 первого коммутатора 1 и первым входом 2.1 второго коммутатора 2, второй трансформатор 10 - между вторым входом 1.2 первого коммутатора 1 и первым входом 3.1 третьего коммутатора 3, а третий трансформатор 11 - между третьим входом 1.3 первого коммутатора 1 и входом 24 коммутационно-разделительного устройства, предназначенным для подключения первого радиоприемного устройства.
Второй 2.2 и третий 2.3 входы второго коммутатора 2 синфазно соединены со вторым 4.2 и первым 4.1 входами первого направленного ответвителя 4. Третий вход 4.3 первого направленного ответвителя 4 подключен к первому входу 5.1 второго направленного ответвителя 5, а четвертый вход 4.4 первого направленного ответвителя 4 подключен к первому входу 6.1 третьего направленного ответвителя 6. Ко вторым входам 5.2 и 6.2 второго и третьего направленных ответвителей 5 и 6 соответственно подключены согласованные нагрузки 12. Третьи входы 5.3 и 6.3 второго и третьего направленных ответвителей 5 и 6 через тройник 8 синфазно подключены к входу 25 коммутационно-разделительного устройства, предназначенному для подключения второго радиоприемного устройства. Четвертые входы 5.4 и 6.4 второго и третьего направленных ответвителей 5 и 6 противофазно подключены к входам 21 и 22 коммутационно-разделительного устройства, предназначенным для подключения соответственно правой и левой передних антенн. Для противофазного подключения к входам 21 и 22 для антенн между четвертым входом 6.4 ответвителя 6 и входом 22 подключен инвертор фазы 13, обеспечивающий постоянное изменение фазы сигнала на 180°.
Второй вход 3.2 третьего коммутатора 3 соединен с входом 26 коммутационно-разделительного устройства, предназначенным для подключения третьего радиоприемного устройства, а третий вход 3.3 коммутатора 3 соединен с входом 27 коммутационно-разделительного устройства, предназначенным для подключения приемопередатчика.
Четвертый вход 1.4 первого коммутатора 1 через управляемый фазовращатель 7 подключен к входу 23 для подключения третьей антенны. Для этого вход 7.1 фазовращателя 7 соединен с входом 1.4 первого коммутатора 1, а вход 7.2 - с входом 23 коммутационно-разделительного устройства. Фазовращатель 7 выполнен на основе p-i-n-диодов (на фиг.1 диоды обозначены VD9 и VD10).
Имеющиеся в коммутаторах 1, 2, 3 и фазовращателе 7 p-i-n-диоды являются управляемыми элементами. В качестве таких диодов могут быть использованы, например, диоды марки МА4Р606-131. Положительное напряжение (смещение) 1 В на этих диодах соответствует закрытому каналу в переключателях 1, 2, 3 или сдвигу фазы 180° в фазовращателе 7, а отрицательное напряжение (смещение) -60 В соответствует открытому каналу переключателей 1, 2, 3 или сдвигу фазы 0° в фазовращателе 7.
Работа коммутационно-разделительного устройства осуществляется следующим образом.
Включение необходимых режимов работы коммутационно-разделительного устройства задается вырабатываемой по управляющим сигналам обслуживаемой радиоаппаратуры комбинацией напряжений смещения p-i-n-диодов, выдаваемых блоком управления.
В режиме кругового обзора, обеспечиваемом одновременным подключением трех антенн, радиосигналы приемопередатчика от входа 27 через открытый канал диодов VD3, VD4 третьего коммутатора 3, второй четвертьволновый трансформатор 10, открытые каналы диодов VD5, VD6, VD7, VD8 первого коммутатора 1 передаются, с одной стороны, через управляемый фазовращатель 7 к задней антенне на вход 23, с другой стороны, через первый четвертьволновый трансформатор 9, открытые каналы диодов VD11, VD12, VD13, VD14 второго коммутатора 2 синфазно передаются ко входам 4.1 и 4.2 направленного ответвителя 4 через направленные ответвители 5 и 6 в противофазе (за счет постоянного фазового сдвига в 180° в инверторе фазы 13) к передним антеннам (АП) правого и левого борта. Суммарная диаграмма направленности этих антенн при противофазном питании приведена на фиг.2,а. Аналогичную диаграмму направленности имеет и задняя антенна A3.
Принятые антеннами приемные радиосигналы образом, обратным изложенному, поступают на вход 27 к приемопередатчику. Для исключения пропадания передаваемых (принимаемых) радиосигналов в интерференционных зонах, образующихся на участках взаимного наложения диаграмм направленности передних и задней антенн, в управляемом фазовращателе 7 напряжение смещения на диодах VD9 и VD10 меняется с заданной частотой и обеспечивает сдвиг по фазе 0°, 180°, благодаря чему обеспечивается смещение зон нулевого приема в суммарной диаграмме направленности. Таким образом обеспечивается круговой обзор пространства в горизонтальной плоскости при горизонтальной поляризации поля.
Второе радиоприемное устройство (вход 25) постоянно противофазно (за счет инвентора фазы 13) подключено через тройник 8 и направленные ответвители 5 и 6 к передним антеннам (входы 21 и 22).
Путем подачи от блока управления соответствующего напряжения смещения на диоды VD5, VD6 (VD7, VD8) первого коммутатора 1 и диоды VD1, VD2 (VD3, VD4) третьего коммутатора 3 третье радиоприемное устройство (вход 26) или приемопередатчик (вход 27) могут быть подключены соответственно либо к передним антеннам (входы 21, 22), либо к задней антенне (вход 23).
Путем подачи от блока управления соответствующего напряжения смещения на диоды VD15, VD1 6, (VD17, VD18) первого коммутатора 1 первое радиоприемное устройство (вход 24) может быть подключено к передним антеннам (входы 21, 22), либо к задней (вход 23) антенне, либо одновременно ко всем антеннам.
Диаграмма направленности с равносигнальной зоной по оси самолета в направлении полета, показанная на фиг.2,б, формируется с помощью подачи от блока управления соответствующего напряжения смещения на диоды VD11, VD12; (VD13, VD14) коммутатора 2. При подаче открывающего напряжения смещения на диоды VD11, VD12 (см. фиг.1) осуществляется управление левой передней антенной (вход 22) с отставанием по фазе -90° по отношению к правой передней антенне (вход 21) за счет фазовых свойств соединения направленных ответвителей 4 и 5 с учетом постоянного фазового сдвига 180° в инверторе фазы 13 в канале левой антенны. При этом формируется диаграмма направленности 2, приведенная на фиг.2,б. При подаче открывающего напряжения смещения на диоды VD13, VD14 осуществляется управление правой передней антенной (вход 21) с отставанием по фазе -90° по отношению к левой передней антенне (вход 22). При этом формируется диаграмма направленности 1, приведенная на фиг.2,б.
С формируемой таким образом диаграммой направленности работает либо третье радиоприемное устройство (вход 26), либо первое радиоприемное устройство (вход 24), как было изложено ранее.
Предлагаемое устройство может быть реализовано на микрополосковой СВЧ-плате, выполненной фотохимическим методом на специализированном материале для высокочастотного применения, например, так, как это описано в [4]. В соответствии с традиционными схемными решениями так могут быть выполнены коммутаторы на основе диодов, пассивные четвертьволновые трансформаторы сопротивления, направленные ответвители и фазовращатель.
Особенностью предлагаемого коммутационно-разделительного устройства является то, что благодаря введению между его составными частями четвертьволновых трансформаторов сопротивления, обеспечивающих согласование изменяющихся входных сопротивлений коммутаторов при включении одного или двух направлений, одновременно удается наряду с увеличением функциональных возможностей устройства значительно улучшить согласование во всех возможных режимах его работы. Так, например, использование в качестве трансформаторов 9, 10, 11 пассивных четвертьволновых трансформаторов, рассчитанных на согласование среднего значения изменяющейся нагрузки от 25 до 50 Ом, при включении двух или одного направления коммутаторов 2 и 3 позволяет улучшить согласование до 25%. Значительно улучшенные результаты могут быть получены, если это позволяют технические возможности по реализации, использованием в качестве трансформаторов 9, 10, 11 управляемых четвертьволновых трансформаторов сопротивления [5], [6].
Опытный образец коммутационно-разделительного устройства прошел все виды лабораторных испытаний, что подтверждает возможность его промышленной реализации.
Источники информации
1. Патент 2276434 RU, МПК H01Q 1/28, заявл. 20.08.2004 г.
2. Патент 2355078 RU, МПК Н01Q 1/26, заявл. 13.08.2007 г.
3. Авт.св. СССР №327865, заявл. 12.05.1970 г.
4. Микроэлектронные устройства СВЧ/Под ред. проф. Г.И. Веселова, М., Высшая школа, 1988 г., стр.57-87, 106.
5. Четвертьволновая секция с управляемым волновым сопротивлением. Журнал «Вопросы радиоэлектроники», серия ОТ, вып.10, 1976 г.
6. Четвертьволновые управляемые согласующие трансформаторы. Журнал «Вопросы радиоэлектроники», серия ОТ, вып.14, 1976 г.