ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК СВЧ-СИГНАЛОВ С АМПЛИТУДНО И ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к приемным устройствам информации, в частности в аналоговых и цифровых радиоканалах, и может быть использовано в аэрологических комплексах, например в радиозондах. Также может быть использовано в приемных устройствах аппаратуры связи.
Общими задачами, предъявляемыми к устройствам приема информации, являются: высокое быстродействие при минимальных искажениях принимаемой информации, малые габаритно-массовые характеристики (ГМХ), малое потребление энергии, высокая помехоустойчивость и в то же время малая стоимость. Но наиболее важной проблемой при конструировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в том числе радиоприемных устройств в СВЧ, является получение высоких технических характеристик при воздействии различных дестабилизирующих факторов, как-то высоких уровнях помех, а главное - больших перепадов температур, при низких ГМХ приемных устройств естественно.
Известен приемник радиоблока, содержащий СВЧ-фильтр, малошумящий усилитель (МШУ), фильтр зеркального канала на диэлектрическом резонаторе, гетеродин, смеситель, УПЧ с АРУ, соединенные по классической схеме, см. «Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах», Т.Н.Нарытник и др., Киев, Техника, 2000, стр.258.
Недостатком данного приемника является его схемная сложность (для получения достаточного коэффициента усиления) в силу построения по традиционной схеме, отсюда довольно высокие ГМХ при невысоких в общем технических. Его ГМХ увеличиваются также из-за того, что СВЧ-фильтры
диционной схеме, отсюда довольно высокие (ГМХ) при невысоких в общем технических. Его ГМХ увеличиваются также из-за того, что СВЧ-фильтры обычно выполняются на диэлектрических резонаторах, которые сами по себе имеют довольно большие габариты, но еще и требуют экранировки, т.к. создают помехи в виде электромагнитных полей.
Известны приемные устройства с транзисторным усилителем радиочастоты (УРЧ) до 8 ГГц, собранные по схеме с общим эммитером на микрополосковых линиях (МПЛ), на которых избирательные, соединительные и согласующие цепи выполнены на МПЛ, а согласование обеспечивается введением специальных согласующих отрезков. Для согласования комплексных сопротивлений и трансформации активных сопротивлений в МПЛ применяют их полуволновые и четвертьволновые отрезки, см. «Радиоприемные устройства», В.Д.Екимов и др., М, Связь, 1975, стр.292-293.
Недостатком данного устройства является его ограниченная верхняя рабочая частота, недостаточный коэффициент усиления, низкая температурная стабильность.
Также известен СВЧ-радиоприемник с высокоэкономичным и стабильным сверхгенеративным резонатором (СР) в диапазоне СВЧ, в котором СР выполнен на транзисторе, между базой и коллектором которого включен контур LC, зашунтированный (для быстрого затухания колебаний) резистором. Сигнал вводится из антенны в катушку связи Lсв, связанную с индуктивностью контура LC. Между эмиттером и коллектором транзистора включен накопительный конденсатор, заряжающийся от источника питания через резистор, а дроссель изолирует коллектор от этого конденсатора по ВЧ, см. "Сверхрегенераторы" под ред. М.К.Белкина, М, Р и С, 1983, стр.229-230, - ПРОТОТИП.
Недостатком данного СВЧ-радиоприемника является ограниченная частота суперизации, не более 1-2 МГц, в силу особенности построения электрической схемы, что не позволяет использовать преимущества более
высочастотного диапазона, например, с использованием МПЛ, последнее ведет к микроминиатюризации радиоаппаратуры, что особенно важно при жестких требованиях ГМХ и потреблению электроэнергии, также он обладает недостаточной помехоустойчивостью и стабильностью поддержания частоты при колебаниях температуры, особенно это касается аэрологических радиозондов, условия эксплуатации которых лежат в температурном диапазоне от минус 80 ВС до плюс 80 ВС.
Технической задачей является снижение ГМХ, потребляемой энергии и повышение стабильности работы в условиях дестабилизирующих факторов: повышенного уровня естественных и искуственных помех, резких и больших перепадов температур, за счет:
- построения схемно-технического решения;
- применения специального конструктива совместимого с этим решением;
- низкой стоимости аппаратных средств;
- технологической прозрачности.
Для решения поставленной задачи предлагается высокостабильный приемник СВЧ-сигналов, содержащий: приемную антенну, входной СВЧ-микрополосковый ступенчатый фильтр, малошумящий усилитель с микрополосковой линией на выходе, сверхрегенеративный детектор с микрополосковым резонатором на входе, фильтр низкой частоты и линейный видеоусилитель с АРУ, соединенные следующим образом: приемная антенна, которая является входом приемника, через входной микрополосковый резонатор соединена с малошумящим усилителем, выход которого через микрополосковую линию связи соединен с микрополосковым резонатором, образующим колебательный контур сверхрегенеративного детектора, выход которого через фильтр низкой частоты соединен с входом видеоусилителя, АРУ которого соединена с управляющим входом малошумящего усилителя, а выход видеоусилителя является низкочастотным выходом, приемника; СВЧ-фильтр
высокостабильного приемника выполнен на высокостабильных МПЛ по лестничной схеме, число ступенек которой выбирается из условий необходимой полосы пропускания, связь приемной антенны с СВЧ-фильтром осуществляется через МПЛ-связи и первый конденсатор связи, а связь СВЧ-фильтра с МШУ - через второй конденсатор связи, колебательный контур сверхрегенеративного детектора выполнен на микрополосковом резонаторе на диэлектрической подложке, имеющую высокую относительную диэлектрическую проницаемость порядка 80-100 единиц, причем вход резонатора связан через третий конденсатор связи с микрополосковой линией выхода малошумящего усилителя, а два выхода резонатора соединены следующим образом: первый - с базой СВЧ-транзистора сверхрегенеративного детектора, а второй - с его коллектором, МПЛ-резонатор выполнен на микрополосковой линии с геометрическими размерами, определяемыми: длина резонатора L берется равной длине волны рабочей частоты, ширина - не критична, отводы от L, идущие на базу и коллектор транзистора сверхрегенеративного детектора, лежат приблизительно в пределах одной четвертой длины L от каждого конца и выбираются из условий величины положительной обратной связи детектора и более точно устанавливаются (припаиваются) при наладке.
На фиг.1 изображена структурная схема высокостабильного приемника, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема СВЧ-фильтра, сверхрегенеративного детектора и НЧ-фильтра, на фиг.3 и 4 - амплитудно-частотные характеристики сигналов с АИМ и ЧИМ, на фиг.5 - электрическая характеристика МПЛ-резонатора на диэлектрической подложке.
1
3
На чертежах изображено: 1 - СВЧ-фильтр (микрополосковый ступенчатый), 2 - малошумящий усилитель (МШУ), 3 - микрополосковый резонатор на диэлектрической подложке, 4 - сверхрегенеративный детектор, 5 - НЧ-фильтр, 6 - линейный видиоусилитель с АРУ, А-антенна; Сcв - Ссв конденсаторы связи, ВС МПЛ - высокостабильные микроподосковые линии, МПЛС 1 и МПЛС 2 - первая и вторая микрополосковые линии связи, Т -
1
2
3
высокочастотный транзистор, Др 1 и Др 2 - четвертьволновые микрополосковые дроссели, R и С - времязадающая цепь, Rф и Сф - фильтр НЧ. Приемная антенна А через МПЛС 1 и конденсатор Сcв соединена с лестничным СВЧ-фильтром, выход которого через конденсатор Ссв соединен со входом МШУ 2, выход последнего через МПЛС 2 и конденсатор Ссв. энергетически связан с МПЛ-резонатором 3, первый выход которого соединен с базой транзистора Т, а второй - с коллектором, эмиттер и коллектор транзистора Т через Др 1 и Др 2 соединены с Ов и средней точкой цепи RC соответственно, среднея точка времязадающей цепи RC соединена через ФНЧ 5 с ЛВУ 6, АРУ которого соединена с управляющим входом МШУ 2, а выход ЛВУ является НЧ-выходом приемника.
1
3
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены: СВЧ-фильтр 1 и МПЛ-резонатор 3 на микрополосковых резонаторах, см. "Справочник по элементам полосковой техники", О.И.Мазепова и др., М, Связь, 1979, стр.262-271, МШУ 2 на ИМС типа MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard "Communications Components Designers Catalog", 1998, p.6-220, ЛВУ 6 на высокоскоростном ОУ 140УД11, см. «Линейные интегральные схемы» В.Л.Шило, М, Сов. Радио, 1979, стр,155, рис.4.4, АРУ (ЛВУ 6) по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.402-404, МПЛС 1 и МПЛС 2, Др 1 и Др 2 могут быть выполнены и расчитаны, см. "Справочник по элементам полосковой техники", М, Связь, 1979, стр.20-21, транзистор Т может быть взят 2Т 3115А, см. Справочник "Новые транзистры", ч.2, М, СОЛОН, 1996, стр.39, конденсатор С времязадающей цепи СРД 4 желательно выбирать с положительной ТКЕ для температурной компенсации всего СРД, конденсаторы связи Сcв - Ссв выбираются величиной 0,5 пФ любого типа минимальных габаритов, особые требования к остальным радиоэлементам не предъявляются.
Высокостабильный приемник работает следующим образом. Входной СВЧ-фильтр 1 выполнен на параллельно связанных несимметричных
микрополосковых резонаторах длиной λ/2, реализованных на подложке из высокостабильного по температуре и с низкими электрическими потерями материала, с высоким значением относительной диэлектрической проницаемостью (ε=80-100). Количество резонаторов определяется требуемой полосой пропускания: чес уже полоса, тем большее количество резонаторов. Отфильтрованный сигнал поступает на МШУ 2, предназначенный для компенсации потерь в СВЧ-фильтре 1, увеличения отношения сигнал/шум всего приемника, предотвращения проникновения паразитного излучения радиочастоты СРД 4 в приемную антенну А, развязки входного СВЧ-фильтра от СРД 4 для создания оптимального для приема сигналов некогерентного режима работы сверхрегенератора. Также МШУ 2 служит для регулировки коэффициента передачи всего тракта приемника по цепи АРУ.
Колебательный контур СРД 4 выполнен на микрополосковом резонаторе 3, настроенного на частоту приема (определяется геометрическими размерами резонатора). Резонатор выполнен на диэлектрической подложке также с очень высокой относительной диэлектрической проницаемостью(ε=80-100), что значительно уменьшает уход частоты в условиях колебаний окружающей температуры, на 1-1,5 порядка по сравнению с LC-резонатором.
Далее МПЛ-резонатор (его выводы) включаются между базой и коллектором транзистора Т, что резко уменьшает влияние реактивных емкостей транзистора опять же при изменении температуры на первоначальную настройку СРД (на стабильность АЧХ).
Собственно СРД 4 производит усиление и перенос модулированного сигнала на частоту автосуперизации, где затем из него выделяется полезная информация. Работа СРД 4 происходит следующим образом, см. фиг.2. СРД 4 реализован на активном полупроводниковом элементе Т (например, на транзисторе СВЧ) и (МПЛ-резонаторе 3), создающем колебательный контур, настроенный на частоту входного сигнала. Для получения режима
прерывистой генерации коллектор транзистора Т через Др 1, выполненный на МПЛ, подключен к источнику питания через инерционную времязадающую RC-цепь. Величина постоянной времени RC определяет период автосуперизации Тс. Постоянная времени цепи RC должна быть больше постоянной времени колебательного контура СРД 4 в силу принципа суперизации. Др 1 служит для предотвращения попадания СВЧ колебаний в цепь питания. Др 2 предназначен для уменьшения влияния на СРД 4 внешних электромагнитных полей. Выходными сигналами СРД 4 являются импульсы генерации (автосуперизации), промодулированные по частоте передаваемым сообщением. При последующей обработке импульсов суперизации ФНЧ 5 выделяют AM или ЧМ сигналы.
Работа СРД 4 может происходить в двух режимах: режим обработки АМ-сигналов и режим - ЧМ-сигналов.
Режим обработки АМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 4 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на максимуме АЧХ (см. фиг.3), информация при этом извлекается из изменения частоты суперизации относительно изменения амплитуды входного сигнала.
нес
Режим обработки ЧМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 4 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на боковой стороне АЧХ (см. фиг.4),информация при этом извлекается из изменения частоты относительно f в ту или другую сторону.
В обоих режимах изменение частоты несущего колебания по закону модуляции вызывает соответствующее изменение уровня входной мощности на СРД 4. Это приводит к изменению частоты огибающих вспышек генерации СВЧ в СРД 4 по закону модуляции, заложенному во входном сигнале. После обработки сигнала в ФНЧ 5 (можно использовать также частотный детектор на расстроенных контурах) получается цифровая информационная последовательность.
Такое построение электрической схемы приемника с использованием высокостабильных МПЛ-резонаторов позволяет конструировать собственно приемное устройство без разделительных экранирующих стенок за счет того, что концентрация электромагнитного поля сигнала внутри без выхода наружу (между металлическими обкладками) МПЛ-резонаторов снимает эту проблему и обеспечивает создание плоской интегральной конструкции приемного устройства AM и ЧМ сигналов СВЧ, что значительно снижает массо- габаритные характеристики. Кроме того, подобное построение приемника с использованием применением указанных возможных ИМС с низкими напряжениями питания до плюс 3 V, а следовательно и низкомалыми токами потребления и с указанными выше сверхстабильными температурными характеристиками, позволяет получить приемник:
- с высокими техническими характеристиками;
- С низким уровнем потребляемой мощности;
- незначительных геометрических размеров;
- незначительными весовыми характеристиками;
- низкой стоимости аппаратных средств.