СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЕМНИК С ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫМ РЕЗОНАТОРОМ

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к приемным устройствам информации, в частности к приемникам в аналоговых и цифровых радиоканалах, и может быть использовано в аэрологических комплексах, например в радиозондах. Также может быть использовано в автоматизированных системах управления дорожным движением.
Общими задачами, предъявляемыми к приемным устройствам информации, являются: высокое быстродействие при min искажениях принимаемой информации, малое потребление энергии, невысокие габаритно-массовые характеристики и малая стоимость, в то же время высокая помехоустойчивость. Видно, что эти требования довольно противоречивы, кроме того каналы передачи информации используют как амплитудную, так и частотную и фазовую модуляции, поэтому встает вопрос об универсальности приемных устройств, что еще более подчеркивает актуальность указанных проблем.
Известны приемные устройства с транзисторным усилителем радиочастоты (УРЧ) до 8 Гц, собранные по схеме с общим эмиттером 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 и т.д..
Также 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 габаритно-массовые характеристики (ГМХ) при невысоких в общем технических.
Также известен СВЧ-радиоприемник с высокоэкономичным и стабильным сверхрегенеративным 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 lcb, 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 высокочастотного диапазона, например, с использованием МПЛ, последнее ведет к микроминиатюризации радиоаппаратуры, что особенно важно при жестких требованиях ГМХ и потреблению электроэнергии, далее: чем выше частота, тем более скоростная система связи.
Технической задачей является повышение быстродействия обработки информационных сигналов при значительном снижении ГМХ.
Для решения поставленной задачи предлагается сверхрегенеративный приемник с высокостабильным резонатором, содержащий приемную антенну, входной СВЧ-фильтр, малошумящий СВЧ-усилитель (МШУ), сверхрегенеративный детектор, фильтр НЧ (ФНЧ), видеоусилитель с АРУ,
соединенные следующим образом: приемная антенна, которая является входом устройства, через входной СВЧ-фильтр соединена с МШУ, выход которого соединен с входом сверхрегенеративного детектора, выход последнего через ФНЧ соединен с видеоусилителем, АРУ которого соединена с управляющим входом МШУ, а выход видеоусилителя является выходом устройства; сверхрегенеративный детектор содержит СВЧ-транзистор, RC-фильтр, RC-времязадающую цепь, первую и вторую МПЛ, первый и второй четвертьволновые дроссели, соединенные следующим образом: выход МШУ через первую МПЛ энергетически связан со второй МПЛ, которая одним концом соединена с базой СВЧ-транзистора, а другим - с его коллектором и через первый четвертьволновой дроссель соединена с RC-задающей цепью, эмиттер СВЧ-транзистора через второй четвертьволновой дроссель соединен с 0 В, общая точка RC-времязадающей цепи соединена с RC-фильтром, выход которого является выходом детектора.
На фиг.1 изображена структурная схема сверхрегенеративного приемника амплитудно- и частотномодулированных сигналов (AM и ЧМ соответственно), на фиг.2 - схема приемника AM и ЧМ сигналов с ФАПЧ, на фиг.3 - принципиальная электрическая схема сверхрегенеративного детектора (СРД), на фиг.4 - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) АМ-детектора, на фиг.5 - АЧХ ЧМ-детектора, на которых изображено: 1 - входной СВЧ-фильтр, 2 - МШУ, 3 - СРД, 4 - ФНЧ, 5 - видеоусилитель с АРУ, 6 - блок ФАПЧ, 7 - генератор опорной частоты (ГОЧ), 8 - фазовый детектор, 9 - масштабирующий усилитель. А - приемная антенна, Т - СВЧ-транзистор, МПЛ 1 и МПЛ 2 - первая и вторая микрополосковые связанные линии соответственно, Др1 и Др2 - первый и второй микрополосковые четвертьволновые дроссели соответственно, RC - времязадающая цепь, R ф и С ф - фильтр НЧ, Еп - вход питания с РДЗ.
Для AM и ЧМ сигналов:
антенна А через входной СВЧ-фильтр 1 соединена с входом МШУ 2, выход которого через СРД 3 и ФНЧ 4 соединен с видеоусилителем 5, АРУ которого
соединена с управляющим входом МШУ 2, а выход видеоусилителя 5 является выходом приемника.
Для AM и ЧМ сигналов с ФАПЧ:
антенна А через входной СВЧ-фильтр 1 соединена с входом МШУ 2, выход которого через СРД 3, блок ФАПЧ 6 и ФНЧ 4 соединен с видеоусилителем 5, АРУ которого соединена с управляющим входом МШУ 2, а выход видеоусилителя 5 является выходом приемника, выход ФНЧ 4, кроме того через масштабирующий усилитель 9 соединен с входом питания СРД 3.
СРД 3 в свою очередь выполнен на СВЧ-транзисторе Т, база которого энергетически соединена через МПЛ 2 с МПЛ 1, а непосредственно через МПЛ 2 - с коллектором, вход МПЛ 1 является входом СРД 3, эмиттер транзистора Т через второй четвертьволновой дроссель соединен с 0 В, коллектор СВЧ-транзистора Т через последовательно соединенные первый четвертьволновой дроссель и резистор времязадающей цепи подключен к источнику питания, конденсатор времязадающей цепи одним концом подключен к 0 В, а другим концом - к общей точке резисторов времязадающей цепи и низкочастотного фильтра, выход ФНЧ является выходом СРД 3; в блоке ФАПЧ 6 сигнальный вход фазового детектора 8 соединен с выходом СРД 3, опорный вход - с выходом ГОЧ 7, выход фазового детектора 8 через ФНЧ 4 соединен с входом видеодетектора 5 и через масштабирующий усилитель 9 обратной связью соединен с входом питания СРД 3.
Указанные узлы и блоки могут быть выполнены на следующих элементах: входной узкополосный СВЧ-фильтр 1 может быть выполнен на диэлектрических резонаторах, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.201-202, МШУ 2 - может быть выполнен на интегральной арсенид-галлиевой ИМС типа MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard "Communications Components Designer s Catalog", 1998, стр.6-220, АРУ видеоусилителя 4 может быть выполнена по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.402-404,
ЛВУ 5 может быть выполнен на высокоскоростном операционном усилителе, например, на ИМС 140 УД 11, см. «Линейные интегральные схемы» В.Л.Шило, М, Сов. Радио, 1979, стр.155, рис.4.4, также на этой ИМС может быть выполнен УС 9, ФД 8 может быть выполнен по схеме, см. «Широкополосные радиоэлектронные устройства и системы», Межвузовский сборник научных трудов, г.Свердловск, 1989, стр.88-91, ГОЧ 7 может быть выполнен по схеме высокостабильного кварцевого генератора, см. «Искусство схемотехники», т.1, П.Хоровица, М, Мир, стр.279, МПЛ 1, МПЛ 2, Др 1 и Др 2 могут быть рассчитаны, см. «Справочник по элементам полосковой техники», М, Связь, 1979, стр.20-31, транзистор Т может быть взят, например, 2Т3115А, см. Справочник «Новые транзисторы», ч.2, М, СОЛОН, 1996, стр.39, конденсатор С времязадающей цепи СРД 3 желательно выбирать с положительным ТКЕ для температурной компенсации всего резонатора, особые требования к остальным радиоэлементам СРД 3 не предъявляются, кроме материала для МПЛ, который выбирается из условий температурного диапазона и допустимых потерь СВЧ энергии.
Сверхрегенеративный приемник работает следующим образом: входная цепь приемника содержит СВЧ-фильтр 1, настроенный на рабочую частоту при помощи диэлектрических объемных резонаторов, этот фильтр задает полосу пропускания всего приемного устройства, т.к. собственная полоса пропускания СРД 3 значительно шире. Выделенный СВЧ- фильтром 1 сигнал усиливается МШУ 2, который имеет возможность изменять свой коэффициент усиления по сигналу АРУ с ЛВУ 5. МШУ 2 компенсирует потери в СВЧ-фильтре 1, уменьшает коэффициент шума всего приемника, подавляет паразитное излучение СРД 3 в антенну А и в свою очередь снижает влияние последней на настройку СРД 3. Далее сигнал поступает на СРД 3, где происходит усиление и перенос модулированного сигнала с СВЧ диапазона на частоту автосуперизации, где из него выделяется полезная информация.
Работа собственно СРД 3 происходит следующим образом, см. фиг.3. СРД 3 реализован на активном полупроводниковом элементе Т (например,
на транзисторе СВЧ) и микрополосковых линиях МПЛ 1 и МПЛ 2, создающих 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 3 в силу принципа суперизации. Др 1 служит для предотвращения попадания СВЧ колебаний в цепь питания. Др 2 предназначен для уменьшения влияния на СРД 3 внешних электромагнитных полей. Выходными сигналами СРД 3 Являются импульсы генерации (автосуперизации), промодулированные по частоте передаваемым сообщением. При последующей обработке импульсов суперизации ФНЧ 4 выделяют AM или ЧМ сигналы.
Работа СРД 3 может происходить в трех режимах: режим обработки АМ-сигналов, режим - ЧМ-сигналов и режим с ФАПЧ.
Режим обработки АМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 3 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на максимуме АЧХ (см. фиг.4), информация при этом извлекается из изменения частоты относительно fнес в ту или другую сторону.
Режим обработки ЧМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 3 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на боковой стороне АЧХ (см. фиг.5), информация при этом извлекается из изменения частоты относительно fнес в ту или другую сторону.
В обоих режимах изменение частоты несущего колебания по закону модуляции вызывает соответствующее изменение уровня входной мощности на СРД 3. Это приводит к изменению частоты огибающих вспышек генерации СВЧ в СРД 3 по закону модуляции, заложенному во входном сигнале. После обработки сигнала в ФНЧ 4 (можно использовать также частотный детектор на расстроенных контурах) получается цифровая информационная последовательность.
Режим обработки AM и ЧМ сигналов с помощью ФАПЧ. Этот режим используется для обработки сигналов в условиях повышенного уровня шумов и помех естественного и искусственного происхождения, также для повышения стабильности работы приемника в широком диапазоне температур. В этом режиме сигнал с выхода СРД 3 проходит обработку на фазовом детекторе 8 и после усиления масштабирующим усилителем 9 поступает на вход источника питания (вместо питания) СРД 3, регулируя тем самым частоту автосуперизации, что приводит к линеаризации характеристики приемника и к повышению уровня отношения сигнал/шум.
Построение данного приемника по предлагаемой электрической схеме позволяет получить высокие технические характеристики собственно устройства в условиях дестабилизирующих факторов, как-то: большой диапазон изменения окружающей температуры от минус 60°С до плюс 80°С, повышенный уровень электромагнитных помех и малое отношение сигнал/шум, при минимизации ГМХ, малом потреблении энергии, высокой технологичности изготовления и простоты настройки. Таким образом, данный сверхрегенеративный приемник отвечает основному критерию оценки современных разработок: "стоимость-эффективность".