МИКРОПОЛОСКОВОЕ АНТЕННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (МАПУ)
MICROSTRIP ANTENNA SWITCHING DEVICE (MASD)

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным системам на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР), и может быть использовано в приемопередающих модулях (ППМ) АФАР в качестве антенного переключающего устройства.
Антенные переключатели [1] предназначены для переключения антенны радиолокатора в режимы "передача-прием" и защиты приемника от повреждения мощными импульсами передатчика.
Известны ППМ, содержащие переключатели "передача-прием", однако они либо сложны и ненадежны [2], либо ограничены задачами узкого круга АФАР [3].
Известны также электрически управляемые СВЧ переключатели на управляемых диодах [4], обладающие малыми массой и габаритами, высокими показателями по быстродействию, надежности, уровню переключаемой мощности, затратам на управление.
В качестве прототипа может быть использован наиболее близкий по схемному построению электрически управляемый СВЧ переключатель с параллельным включением диодов [4, стр.10, рис.1ж, стр.15, табл.3, п.7], представленный на Фиг.1.
Прототип содержит приемный, передающий и приемопередающий тракты, Т-образное разветвление, точка разветвления которого соединена напрямую с антенной и, через соответствующие четвертьволновые фидерные отрезки, с передатчиком и приемником, а также два управляемых диода, один из которых включен параллельно входу приемника, а второй, через четвертьволновый фидерный отрезок, - параллельно выходу передатчика (цепи управления диодами не показаны).
В режиме передачи оба диода открыты, и зондирующий импульс от передатчика через свой четвертьволновый отрезок поступает к антенне, так как четвертьволновые отрезки, соединенные с открытыми диодами, не препятствуют этому вследствие условия холостого хода в местах их подключения к тракту.
В режиме приема оба диода закрыты, и принятый антенной сигнал поступает к приемнику через четвертьволновый отрезок в цепи приемника, а четвертьволновые отрезки в цепи передатчика отражают его, не пропуская на передатчик.
Недостатками прототипа являются невысокие значения ряда технических характеристик, главный из которых - развязка между передающим и приемным каналами, зависящая от типа используемых диодов, а также большие потери мощности как при передаче, так и при приеме. К недостаткам прототипа следует отнести также невозможность его использования для контроля мощности передатчика и настройки приемника при регулировке и эксплуатации ППМ.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является создание многофункционального антенного переключающего устройства с улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками в части развязки между передающим и приемным каналами, потери мощности при передаче и приеме, надежности, а также возможности контроля мощности передатчика и настройки приемника, входящих в ППМ, при его регулировке и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее изготовленную методом гибридно-интегральной технологии и размещенную в металлическом корпусе микроплату, представляющую собой диэлектрическую подложку с двусторонней металлизацией, на которой расположены передающий, приемный и приемопередающий участки линии передачи для подключения, соответственно, к передатчику, приемнику и антенне, Т-образное разветвление с четвертьволновым отрезком в плече передатчика и два управляемых диода, один из которых включен в плечо приемника, а другой, через второй четвертьволновый фидерный отрезок, в плечо передатчика, введены переключающая секция, два направленных ответвителя с согласованными резисторами и три согласующих отрезка. При этом все элементы устройства, кроме управляемых диодов, расположены на верхней стороне микроплаты, обратная сторона которой полностью металлизирована и заземлена, а управляемые диоды установлены вблизи микроплаты на отдельной планке.
Размещение управляемых диодов не на микроплате, а на отдельной планке повышает надежность МАПУ, т.к. микроплата становится более устойчивой к механическим и климатическим воздействиям из-за отсутствия отверстий для крепления диодов. Кроме того, при эксплуатации устройства гораздо проще заменить неисправный диод на планке, чем на микроплате.
На Фиг.2 представлена топология заявляемого микрополоскового антенного переключающего устройства (МАПУ).
МАПУ содержит микроплату 1, передающий, приемный и приемопередающий участки 2, 3 и 4 линии передачи, соответственно, первый согласующий отрезок 5, Т-образное разветвление, состоящее из второго 6 и третьего 7 согласующих отрезков и первого четвертьволнового отрезка 8, второй четвертьволновый отрезок 9, переключающую секцию 10, первый и второй переключающие диоды (на фигуре не показаны), контрольный направленный ответвитель (КНО) 11, технологический направленный ответвитель (ТНО) 12 и согласованные с трактом резисторы 13 и 14.
Переключающая секция 10 выполнена в виде трех параллельно расположенных третьего 15 и четвертого 16, крайних, и пятого 17, центрального, четвертьволновых микрополосковых отрезков, электромагнитно связанных между собой. Первый четвертьволновый отрезок 8 в целях повышения компактности схемы выполнен в виде меандра.
Контрольный направленный ответвитель 11 состоит из связанных, параллельно расположенных микрополосковых отрезков 18 и 19, состоящих каждый из чередующихся вдоль их длины узких и широких полосок. Технологический направленный ответвитель 12 также выполнен из связанных параллельно расположенных микрополосковых отрезков 20 и 21, состоящих из чередующихся вдоль их длины узких и широких полосок.
При этом передающий участок 2 линии передачи через первый согласующий отрезок 5 соединен со вторым управляемым диодом посредством второго четвертьволнового отрезка 9 и с приемопередающим участком 4 линии передачи - через каскадно соединенные первый четвертьволновый 8, третий согласующий 7 отрезки и первый отрезок 18 КНО 11, а приемный участок 3 линии передачи каскадно соединен с первым отрезком 20 THO 12, четвертым 16 и соединенным с ним навесной перемычкой 22 третьим 15 четвертьволновыми отрезками переключающей секции 10 и вторым 6 и третьим 7 согласующими отрезками, конец пятого 17, центрального четвертьволнового отрезка переключающей секции 10 со стороны перемычки 22 соединен с первым управляемым диодом, а другой его конец свободен, один конец второго отрезка 19 КНО 11 соединен со своим заземленным резистором 13, а другой, выходной конец, служит для подключения к измерителю выходной мощности, второй отрезок 21 THO 12 также соединен одним концом со своим заземленным резистором 14, а другой, входной конец, служит для подключения к источнику настроечных сигналов.
МАПУ работает следующим образом.
В режиме передачи зондирующий сигнал поступает от передатчика на передающий участок 2 микрополосковой линии, проходит через согласующий 5 и четвертьволновый 8 отрезки, далее, пройдя согласующий отрезок 7 Т-образного разветвления и отрезок 18 КНО 11, через участок 4 микрополосковой линии идет на приемопередающий антенный элемент, а ответвленный сигнал со второго отрезка 19 КНО 11 поступает на измеритель выходной мощности.
При этом оба переключающих диода открыты, следовательно, четвертьволновый отрезок 9 не влияет на прохождение сигнала, а переключающая секция 10, отражая зондирующий сигнал, закрыта для его прохождения. Секция 10 при открытом диоде представляет собой низкодобротный резонатор, сильно связанный с трактом и настроенный на среднюю частоту рабочего диапазона. При поступлении на него зондирующего сигнала большая часть мощности отражается, а оставшаяся часть частично рассеивается на сопротивлении открытого диода, а частично просачивается через резонатор и по участку 3 линии передачи поступает на вход приемника, определяя конечную развязку между передающим и приемным каналами.
Характеристики такого резонатора по развязке значительно лучше аналогичных характеристик параллельно включенного в тракт приемника открытого диода в схеме прототипа (Фиг.1).
В режиме приема сигнал поступает на приемопередающий участок 4 микрополосковой линии, проходит отрезок 18 КНО 11, согласующие отрезки 7 и 6 Т-образного разветвления, крайние отрезки 15, 16 переключающей секции 10, отрезок 20 ТНО 12, приемный участок 3 и подается на вход приемника. При этом оба переключающих диода заперты. Благодаря этому центральный отрезок 17 переключающей секции 10 представляет собой проводник с плавающим потенциалом и слабо влияет на прохождение принимаемых сигналов через приемный участок 3 линии. Четвертьволновые отрезки 8 и 9 обеспечивают условие непрохождения сигнала на передающий участок 2.
Длина и волновое сопротивление согласующих отрезков 5, 6 и 7 выбираются так, чтобы обеспечить максимальное прохождение передаваемых и принимаемых сигналов на приемопередающем участке 4 в точке подключения МАПУ к антенному элементу.
ТНО 12 служит для настройки приемника при подготовке АФАР к работе. Настроечные сигналы поступают на отрезок 21 ТНО 12 и через отрезок 20 и приемный участок 3 - на вход приемника. Во время работы АФАР ТНО 12 не работает.
Предлагаемое микрополосковое антенное переключающее устройство реализовано в L-диапазоне на микроплате с диэлектрической подложкой из поликора с размерами 60 мм×30 мм×1 мм на переключающих диодах типа 2А507А. При ширине полосы частот 10% и импульсной мощности 500 Вт оно имеет следующие характеристики: величина КСВ на приемопередающем участке 4 в точке подключения МАПУ к антенному элементу ≤1,3; потери на передачу на краях диапазона 0,7 дБ, а в середине диапазона 0,5дБ; развязка между передающим и приемным каналами >25дБ.
Таким образом, введение в МАПУ соединенных по приведенной топологии переключающей секции, трех согласующих отрезков, двух направленных ответвителей и двух согласованных с трактом резисторов, а также размещение всех элементов МАПУ, кроме управляемых диодов, на верхней стороне микроплаты, обратная сторона которой полностью металлизирована и заземлена, позволили получить многофункциональное антенное переключающее устройство с улучшенными указанными выше техническими и эксплуатационными характеристиками.
Литература
1 Справочник по радиолокации. Редактор М.Сколник. М. "Советское радио", 1977, том 2, с.42-49.
2 Патент США №5093667, МПК H03F 3/68, H01Q 3/26, опубл. 1992.
3 Патент РФ №2206155, МПК H01Q 3/34, опубл. 2003.
4 М.Е.Ильченко, В.Г.Осипов. Электрически управляемые СВЧ переключатели на полупроводниковых диодах, Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, 1977, том XX, №2, с.5-17.