ПЕРЕДАТЧИК СВЧ С ПОВЫШЕННОЙ СТЕПЕНЬЮ ЗАЩИТЫ
HIGHLY SECURE MICROWAVE TRANSMITTER

Изобретение предназначено для работы на летающих объектах в составе бортовых радиолокационных станций, использующих доплеровскую обработку сигналов.
Из уровня техники известен передатчик СВЧ (патент RU №2208909, опубликован 2003.07.20, МПК H04B 1/00, H05K 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 улучшение массогабаритных характеристик, но не решает задачу обеспечения оптимальной выходной мощности на выходе передатчика СВЧ и 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 соединен 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 H03B 9/06). В состав передатчика СВЧ включены между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n аттенюатора 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 повысить надежность работы ЛБВ в составе усилителя мощности СВЧ, обеспечить оптимальную выходную мощность на несущих частотах.
К недостаткам данного передатчика СВЧ можно также отнести то, что при использовании в усилителе СВЧ одной лампы бегущей волны (ЛБВ) не удается получить значительной величины выходной мощности.
С целью получения большой дальности обнаружения бортовой радиолокационной станции (БРЛС) требуется передатчик с большой выходной импульсной мощностью. Для получения значительной величины выходной импульсной мощности в передатчике применяются две последовательно включенных ЛБВ.
Одним из способов обеспечения помехозащищенности БРЛС является возможность ее работы на нескольких частотах. Переключение несущих частот производится автоматически с помощью бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) и задающего генератора. Поэтому передатчик реально работает 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 входная мощность недостаточна, а на другой - она избыточна.
Технический результат предлагаемого технического решения направлен на существенное улучшение характеристик БРЛС: обеспечение максимальной выходной мощности передатчика СВЧ с повышенной степенью защиты (передатчик) на несущих частотах, снижение уровня шумов, обеспечение согласования режимов работы двух ЛБВ в составе передатчика, повышения надежности работы первой ЛБВ в составе передатчика.
Указанный технический результат достигается тем, что передатчик СВЧ с повышенной степенью защиты содержит развязывающий прибор, р-i-n аттенюатор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник питания и модулятор. При этом он отличается от прототипа тем, что содержит волновод подачи входного СВЧ сигнала, контакт разъема для подачи кода несущей частоты, дешифратор кода частоты, контакт разъема для подключения технологического интерфейса, контакт разъема для подачи команд переключения режимов бортовой радиолокационной станции (БРЛС) и устройство защиты. При этом дешифратор кода частоты включает последовательно соединенные согласующее устройство, устройство управления, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый источник тока. Усилитель СВЧ включает последовательно соединенные первую лампу бегущей волны ЛБВ1, тракт промежуточный, вторую лампу бегущей волны ЛБВ2, тракт выходной. Устройство защиты включает первый датчик Холла, второй датчик Холла, вычитающее устройство, компаратор, ждущий мультивибратор.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала соединен с входом развязывающего прибора, контакт разъема для подачи кода несущей частоты соединен с первым входом согласующего устройства, выход развязывающего прибора соединен с первым входом p-i-n аттенюатора, второй вход p-i-n аттенюатора соединен с выходом управляемого источника тока, выход p-i-n аттенюатора соединен с входом первой лампы бегущей волны ЛБВ1, выход тракта выходного соединен с входом нагрузки, контакт разъема для подключения технологического интерфейса соединен со вторым входом устройства управления, второй вход согласующего устройства соединен с контактом разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС и с первым входом источника питания и модулятора, первый выход ЛБВ1 соединен со вторым входом источника питания и модулятора, второй выход ЛБВ 1 соединен с четвертым входом источника питания и модулятора, первый выход источника питания и модулятора соединен с входом второго датчика Холла, второй выход источника питания и модулятора соединен с входом первого датчика Холла, выход первого датчика Холла соединен с первым входом вычитающего устройства, выход второго датчика Холла соединен со вторым входом вычитающего устройства, выход вычитающего устройства соединен с входом компаратора, выход компаратора соединен с входом ждущего мультивибратора, выход ждущего мультивибратора соединен с третьим входом источника питания и модулятора, третий выход источника питания и модулятора соединен со вторым входом первой лампы бегущей волны ЛБВ1, четвертый выход источника питания и модулятора соединен со вторым входом второй лампы бегущей волны ЛБВ2.
На рисунке приведена структурная схема предлагаемого передатчика, который включает: волновод подачи входного СВЧ сигнала 1, контакт разъема для подачи кода несущей частоты 2, развязывающий прибора 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 включает последовательно соединенные согласующее устройство 10, устройство управления 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12, управляемый источник тока 13.
Усилитель СВЧ 5 включает последовательно соединенные ЛБВ1 14, тракт промежуточный 15, ЛБВ2 16, тракт выходной 17.
Также передатчик содержит контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18 и устройство защиты 19.
Устройство защиты 19 включает первый датчик Холла 20, второй датчик Холла 21, вычитающее устройство 22, компаратор 23, ждущий мультивибратор 24.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала 1 соединен с входом развязывающего прибора 3. Контакт разъема для подачи кода несущей частоты 2 соединен с первым 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 с первым входом ЛБВ1 14. Выход тракта выходного 17 соединен с входом нагрузки 6. Третий выход источника питания и модулятора 7 соединен со вторым входом ЛБВ1 14, четвертый выход источника питания и модулятора 7 соединен со вторым входом ЛБВ2 16, второй вход источника питания и модулятора 7 соединен с первым выходом ЛБВ1 14, четвертый вход источника питания и модулятора 7 соединен со вторым выходом ЛБВ1 14. Контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 соединен со вторым входом устройства управления 11.
Первый выход источника питания и модулятора 7 соединен с входом второго датчика Холла 21, второй выход источника питания и модулятора 7 соединен с входом первого датчика Холла 20. Выход первого датчика Холла 20 соединен с первым входом вычитающего устройства 22, выход второго датчика Холла 21 соединен со вторым входом вычитающего устройства 22. Выход вычитающего устройства 22 соединен с входом компаратора 23, выход компаратора 23 соединен с входом ждущего мультивибратора 24, выход ждущего мультивибратора 24 соединен с третьим входом источника питания и модулятора 7.
Контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18 соединен со вторым входом согласующего устройства 10 и с первым входом источника питания и модулятора 7.
Работа передатчика СВЧ с повышенной степенью защиты осуществляется следующим образом. По команде с БЦВМ в задающем генераторе БРЛС формируется СВЧ сигнал несущей частоты. С задающего генератора через волновод подачи входного СВЧ сигнала 1 через развязывающий прибор 3 и p-i-n аттенюатор 4 СВЧ сигнал поступает на усилитель СВЧ 5 для усиления и далее в нагрузку 6 или антенну.
Усилитель СВЧ 5 выполнен на двух лампах бегущей волны - ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16, соединенных через тракт промежуточный 15. 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, превосходят 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 использовано комплексированное изделие «Чадра» 100СГ06-014ТУ, состоящее из двух ЛБВ с низковольтным управлением, соединенных через тракт промежуточный 15.
В БРЛС предусмотрен режим дальнего боя (режим большой выходной мощности передатчика) и ближнего боя (режим малой выходной мощности передатчика). В режиме малой выходной мощности БРЛС в передатчике работает одна ЛБВ1 14, в режиме большой выходной мощности БРЛС в передатчике работают две лампы бегущей волны - ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16.
Команды переключения режима БРЛС поступают с БЦВМ в передатчик на контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18. С контакта разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18 сигнал поступает на источник питания и модулятор 7, который управляет подключением ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16.
СВЧ сигнал подается на вход ЛБВ1 для основного усиления. С выхода ЛБВ1 СВЧ сигнал через тракт промежуточный 15 поступает на вход ЛБВ2 16. ЛБВ2 16 работает как радиопрозрачный прибор в режиме, когда не требуется большая выходная мощность, и с усилением, когда требуется большая выходная мощность. Режимы работы ЛБВ определяются управляющими напряжениями, поступающими на сетки ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16 из источника питания и модулятора 7.
Согласно руководству по применению ЛБВ ОСТ 11 0348-86, с.7 при каскадном включении ЛБВ необходимо согласовать значения выходной мощности каждой предыдущей ЛБВ с максимальным значением входной мощности следующей ЛБВ.
Несоблюдение этого условия может привести к работе второй ЛБВ за точкой насыщения, к уменьшению выходной мощности и к искажению формы огибающей выходного СВЧ сигнала в импульсном режиме.
Неоптимальная настройка комплекта ЛБВ по выходной мощности и токам замедляющей системы приводит к увеличению уровня спектральной плотности амплитудных и фазовых шумов, что недопустимо в БРЛС, использующих доплеровскую обработку сигналов.
Согласование значения выходной мощности ЛБВ1 14 с максимальным значением входной мощности ЛБВ2 16 осуществляет изготовитель комплексированного изделия «Чадра», указывая в технических условиях 100СГ06-014ТУ оптимальный уровень входной мощности ЛБВ1 14 в режиме малой выходной мощности и оптимальный уровень входной мощности ЛБВ1 14 в режиме большой выходной мощности, обеспечивая этим оптимальную входную мощность ЛБВ2 16.
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).
На входе ЛБВ1 14 сигнал СВЧ имеет небольшую импульсную мощность, поэтому установку оптимальной входной мощности ЛБВ1 14 можно осуществить с помощью p-i-n аттенюатора. На выходе ЛБВ1 14 импульсная выходная мощность составляет значительную величину (3000 Вт) и установку оптимальной входной мощности ЛБВ2 16 осуществить с помощью p-i-n аттенюатора невозможно.
Поэтому применен дешифратор кода частоты 8, который совместно с p-i-n аттенюатором 4 предназначен для установки входной оптимальной мощности на всех несущих частотах на входе ЛБВ1 14 в режиме малой выходной мощности, и на всех несущих частотах на входе ЛБВ1 14 в режиме большой выходной мощности, обеспечивая тем самым оптимальную входную мощность и для ЛБВ2 16.
В процессе регулировки передатчика на устройство управления 11 из компьютера, входящего в состав рабочего места, через контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9, поступают коды управления током диода p-i-n аттенюатора 4.
Для каждой несущей частоты подбирается код, обеспечивающий оптимальный режим работы ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16 по выходной мощности и токам замедляющей системы. Данные коды запоминаются во внутренней FLASH памяти устройства управления 11. Коды подбираются в процессе регулировки таким образом, чтобы обеспечить установку входной оптимальной мощности на всех несущих частотах на входе ЛБВ1 14 согласно техническим условиям на комплексированное изделие «Чадра» и режиму БРЛС.
С выхода устройства управления 11 коды по последовательной линии передачи данных поступают в цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12. Напряжение с выхода ЦАП 12 поступает на управляемый источник тока 13, преобразующий напряжение в ток для управления p-i-n аттенюатором 4.
В штатном режиме с контакта разъема для подачи кода несущей частоты 2 на устройство управления 11 через согласующее устройство 10 поступают коды номера несущей частоты, определяющие адреса ячеек FLASH памяти, в которых хранятся соответствующие управляющие коды. Согласующее устройство 10 предназначено для преобразования уровней входных сигналов дешифратора кода частоты 8 в уровни LVTTL, необходимые для работы устройства управления 11. Согласующее устройство 10 выполнено на микросхемах SN74AHC14PWRG4, устройство управления 11 на микросхеме EPM1270T144I5, ЦАП 12 на микросхеме AD5320BRTZ, управляемый источник тока 13 на микросхемах 140УД20Б (Антонов А.П. ЯЗЫК ОПИСАНИЯ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ Altera HDL, М., Радио Софт, 2001 г., с 69-171, Дж. Кар Проектирование и изготовление электронной аппаратуры, М., Мир, 1980 г., с 126-135).
Для оптимальной работы двух последовательно включенных ЛБВ необходимо также согласование выхода ЛБВ1 и входа ЛБВ2 и согласование выхода ЛБВ2 с нагрузкой.
Тракт промежуточный 15 служит для согласования выхода ЛБВ1 14 и входа ЛБВ2 16. Радикальным средством устранения влияния ЛБВ2 16 на ЛБВ1 14 является включение в тракт промежуточный 15 развязывающего прибора - циркулятора. Циркулятор защищает ЛБВ1 14 от обратной волны, отраженной от входа ЛБВ2 16. Развязывающее устройство 3 также представляет собой циркулятор и служит для защиты задающего генератора БРЛС от обратной волны, отраженной от входа ЛБВ1 14 (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).
Источник питания и модулятор 7 осуществляют формирование всех питающих напряжений для усилителя СВЧ 5 (Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. - М., Радио и связь, 1986 г., с 121-208) и производят модуляцию ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16 усилителя СВЧ 5 по управляющему электроду (Минаев М.И. Радиопередающие устройства сверхвысоких частот. - Минск, ВЫШЭЙШАЯ ШКОЛА, 1978 г., с 40-93, под редакцией Сколника М. Справочник по радиолокации, т.3, М., Советское радио, 1979 г., с.7-127).
Тракт выходной 17 обеспечивает согласование ЛБВ2 16 с нагрузкой 6 и также содержит циркулятор, защищающий ЛБВ2 16 от обратной волны, отраженной от нагрузки 6 (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).
Превышение максимальных значений токов электродов ЛБВ приводит к их быстрому отказу. Особенно опасно превышение анодного тока (ОСТ 110348-86 с.16). В технических условиях на ЛБВ обязательно указывается допустимая величина анодного тока, поэтому в передатчиках на ЛБВ применяют защиту, которая измеряет величину анодного тока и отключает высокое напряжение при увеличении анодного тока более допустимой нормы.
При применении двух ЛБВ в мощных передатчиках применяется защита от превышения анодного тока. Но при последовательном включении двух ЛБВ (через тракт промежуточный) измерить анодный ток можно только общий для обоих ЛБВ, поэтому применяется защита от превышения общего анодного тока для обоих ЛБВ. При анализе отказов ЛБВ в составе мощных передатчиков отмечается повышенная отказность первой ЛБВ. Чтобы уменьшить отказность первой ЛБВ предлагается ввести защиту по превышению анодного тока первой ЛБВ, определив величину анодного тока первой ЛБВ, как разность величин катодного и коллекторного тока первой ЛБВ.
Для измерения катодного и коллекторного тока первой ЛБВ1 14, которые по цепям с первого и второго выхода ЛБВ1 14 поступают на второй и четвертый входы источника питания и модулятора 7 и далее на входы устройства защиты 19 (входы первого и второго датчиков Холла). По цепи катодного и коллекторного тока первой ЛБВ1 14 в устройстве защиты 19 установлены первый датчик Холла 20 и второй датчик Холла 21 соответственно. Первый датчик Холла 20 и второй датчик Холла 21 используются как датчики тока. Важнейшим достоинством таких датчиков является полное отсутствие электрической связи с измеряемой цепью. Удобство бесконтактного срабатывания (полное отсутствие механического износа) и простота использования делают их незаменимыми в данном случае.
Выходное напряжение датчика пропорционально индукции магнитного поля, окружающего проводник. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна току (Абрикосов А.А. Основы теории металлов. - М., Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1987 г., с.520. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела, - М., Мир, 1979 г., "Hall Effect Sensing and Application Book" (Honeywell MICRO SWITCH Sensing and Control. 1999 г.).
Выходные сигналы с первого 20 и второго 21 датчиков Холла поступают на вычитающее устройство 22. С вычитающего устройства 22 напряжение, пропорциональное разности величин катодного и коллекторного токов ЛБВ1 14, поступает на компаратор 23, где сравнивается с заданным напряжением порога. Если выходной сигнал вычитающего устройства 22 превышает величину напряжения порога компаратора 23, на выходе компаратора 22 появляется сигнал, который далее поступает на ждущий мультивибратор 24. Ждущий мультивибратор 24 формирует импульс «Запрет излучения», который поступает на третий вход источника питания и модулятора 7. По сигналу «Запрет излучения» источник питания и модулятор 7 формирует напряжение запирания на управляющий электрод ЛБВ1 14, предотвращая тем самым выход из строя ЛБВ1 14.
В устройстве защиты 19 используются датчики Холла CLSM-50LA, вычитающее устройство собрано на микросхеме 140УД26А, компаратор на микросхеме AD8561ARZ, ждущий мультивибратор на микросхеме 533АГЗ. Получение требуемых технических параметров передатчика осуществляется за счет защиты первой ЛБВ по превышению анодного тока; применения комплексированного изделия «Чадра», состоящего из двух ЛБВ, обеспечивающего большую выходную импульсную мощность, низкий уровень вносимых шумов, значительное ослабление уровня выходного сигнала в паузе между импульсами; установки оптимальной входной мощности на обоих ЛБВ на несущих частотах; обеспечения согласования обоих ЛБВ по входу и выходу; повышения надежности работы ЛБВ в составе передатчика.
По предлагаемому техническому решению изготовлены опытные образцы передатчика. Передатчик обеспечивает выходную импульсную мощность в режиме дальнего боя до 16000 Вт, в режиме ближнего боя не менее 2500 Вт, спектральная плотность амплитудных шумов (в полосе 1 Гц) при отстройке 0,3-35 кГц составляет 110 дБ. Технические параметры подтверждены положительными результатами приемосдаточных и предварительных испытаний.