ПЕРЕДАТЧИК СВЧ САНТИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА
CENTIMETRE-RANGE MICROWAVE TRANSMITTER

Изобретение предназначено для работы на летающих объектах в составе передатчиков СВЧ мощности радиолокационных станций, использующих доплеровскую обработку сигналов.
Из уровня техники известен передатчик СВЧ (патент RU №2208909, опубл. 2003.07.20, МПК Н04В 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 получения значительной величины выходной мощности на выходе передатчика СВЧ.
Известен усилитель импульсной СВЧ мощности (Свидетельство на полезную модель №16238, опубл. 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 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, опубл. 2002.08.20, МПК: Н03В 9/06). В состав передатчика СВЧ между вторым выходом задающего генератора и управляющим входом p-i-n аттенюатора включены 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, применяя в усилителе СВЧ одну лампу бегущей волны (ЛБВ), не удается получить значительной величины выходной мощности и обеспечить оптимальную входную мощность на несущих частотах.
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 лампы бегущей волны, включенные последовательно.
Одним из способов обеспечения помехозащищенности БРЛС является возможность ее работы на нескольких несущих частотах. Переключение несущих частот производится автоматически. 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 передатчика СВЧ для БРЛС: обеспечение максимальной выходной мощности передатчика СВЧ на несущих частотах, снижение уровня шумов, обеспечение согласования режимов работы двух ЛБВ в составе передатчика, повышение надежности работы ЛБВ в составе передатчика СВЧ сантиметрового диапазона.
Указанный технический результат достигается тем, что передатчик СВЧ сантиметрового диапазона содержит развязывающий прибор, p-i-n аттенюатор, усилитель СВЧ, нагрузку, источник питания и модулятор. При этом он отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит волновод подачи входного СВЧ сигнала, дешифратор кода частоты, контакт разъема для подачи кода несущей частоты, контакт разъема для подключения технологического интерфейса, контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС.
Причем дешифратор кода частоты включает последовательно соединенные согласующее устройство, устройство управления, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), управляемый источник тока, а усилитель СВЧ включает последовательно соединенные первую лампу бегущей волны (ЛБВ1), тракт промежуточный, вторую лампу бегущей волны (ЛБВ2), тракт выходной.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала соединен с входом развязывающего прибора, выход развязывающего прибора соединен с первым входом p-i-n аттенюатора, второй вход p-i-n аттенюатора соединен с выходом управляемого источника тока дешифратора кода частоты. Выход p-i-n аттенюатора соединен с первым входом ЛБВ1 усилителя СВЧ, первый выход источника питания и модулятора соединен со вторым входом ЛБВ1 усилителя СВЧ. Контакт разъема для подключения технологического интерфейса соединен со вторым входом устройства управления дешифратора кода частоты. Контакт разъема для подачи кода несущей частоты соединен с первым входом согласующего устройства дешифратора кода частоты. Контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС соединен со вторым входом согласующего устройства дешифратора кода частоты и с входом источника питания и модулятора. Второй выход источника питания и модулятора соединен со вторым входом ЛБВ2. Выход тракта выходного усилителя СВЧ соединен с входом нагрузки.
На рисунке приведена структурная схема предлагаемого передатчика СВЧ сантиметрового диапазона, 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 содержит согласующее устройство 10, устройство управления 11, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 12, управляемый источник тока 13.
Усилитель СВЧ 5 содержит ЛБВ1 14, тракт промежуточный 15, ЛБВ2 16, тракт выходной 17.
Также передатчик содержит контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18.
При этом волновод подачи входного СВЧ сигнала 1 соединен с входом развязывающего прибора 3, 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 дешифратора кода частоты 8.
Выход p-i-n аттенюатора 4 соединен с первым входом ЛБВ1 14 усилителя СВЧ 5, первый выход источника питания и модулятора 7 соединен со вторым входом ЛБВ1 14 усилителя СВЧ 5. Контакт разъема для подключения технологического интерфейса 9 соединен со вторым входом устройства управления 11 дешифратора кода частоты 8. Контакт разъема для подачи кода несущей частоты 2 соединен с первым входом согласующего устройства 10 дешифратора кода частоты 8.
Контакт разъема для подачи команд переключения режимов БРЛС 18 соединен со вторым входом согласующего устройства 10 дешифратора кода частоты 8 и входом источника питания и модулятора 7. Второй выход источника питания и модулятора 7 соединен со вторым входом ЛБВ2 16. Выход тракта выходного 17 усилителя СВЧ 5 соединен с входом нагрузки 6.
Работа передатчика СВЧ сантиметрового диапазона осуществляется следующим образом. По команде с бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) в задающем генераторе БРЛС формируется СВЧ сигнал несущей частоты. С задающего генератора через волновод подачи входного сигнала СВЧ 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.
Усилитель СВЧ 5 выполнен на двух ЛБВ, соединенных последовательно через тракт промежуточный 15. Лампы бегущей волны по совокупности важнейших параметров - полоса пропускания рабочих частот, коэффициент усиления, средняя мощность, КПД, высокая 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, соединенных последовательно через тракт промежуточный 15, с низковольтным управлением.
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, а 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 на 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 обеспечивает питание и управление режимами ЛБВ 1 14 и ЛБВ2 16.
Поступивший на вход ЛБВ1 14 сигнал СВЧ усиливается в ЛБВ1 14 и с выхода ЛБВ1 14 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 управляющие электроды ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16 с 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 последующей 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.
Для согласования значения выходной мощности ЛБВ1 14 со значением входной мощности ЛБВ2 16 изготовитель комплексированного изделия «Чадра» 100СГ06-014ТУ, указывает в паспорте оптимальный уровень входной мощности ЛБВ1 14 в режиме малой выходной мощности и оптимальный уровень входной мощности ЛБВ1 14 в режиме большой выходной мощности.
Невыполнение указанного требования приводит к перегреву замедляющей системы из-за явления динамической расфокусировки и уменьшения рабочего диапазона частот из-за явления недонасыщения или 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 4. 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 4 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 ЕРМ1270Т144I5, 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 согласование выхода ЛБВ1 14 и входа ЛБВ2 16, а также и согласование выхода ЛБВ2 16 с нагрузкой 6.
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 циркулятора. Циркулятор защищает ЛБВ 1 14 от обратной волны, отраженной от входа ЛБВ2 16.
Развязывающий прибор 3 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 осуществляет формирование всех питающих напряжений для усилителя СВЧ 5 и производит управление ЛБВ1 14 и ЛБВ2 16 усилителя СВЧ 5 по управляющему электроду (Найвельт Г.С. Источники электропитания РЭА. - М., Радио и связь, 1986 г., с.121-208, 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).
P-i-n аттенюатор 4 выполнен на основе СВЧ p-i-n диода (Вайсблат А.В. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. - М., Радио и связь, 1987 г., с.5-116).
Получение технических параметров передатчика осуществляется за счет:
- 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.
По предлагаемому техническому решению изготовлены опытные образцы передатчика. Передатчик СВЧ сантиметрового диапазона обеспечивает выходную импульсную мощность в режиме дальнего боя не менее 14500 Вт, в режиме ближнего боя не менее 2500 Вт, спектральная плотность амплитудных шумов (в полосе 1 Гц) при отстройке 0,3-35 кГц составляет 105 дБ. Технические параметры подтверждены положительными результатами приемосдаточных и предварительных испытаний.