Антенный коммутатор

Устройство относится к радиотехнике, а именно к высокочастотным коммутационным устройствам, применяемым в системах связи, и может быть использовано в устройствах определения пеленга для осуществления переключения между антеннами различных диапазонов рабочих частот.
Известен переключатель [1], содержащий линии передачи ВЧ с общим входом и выходами, при этом к выходам на расстоянии четверти длины волны от общей точки линий передачи параллельно подключены управляющие диоды.
Недостатками данного переключателя являются недостаточный коэффициент развязки между выходом и любым из неподключенных входов.
Известно электронное реле по авторскому свидетельству [2], содержащее цепочку из последовательно соединенных диода и резистора, к общей точке которых подключен источник управляющего напряжения.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает функциональных задач, требуемых для переключения высокочастотных каналов.
Известен переключатель линий передачи сигналов по патенту [3], содержащий линии передачи с входом и выходами, а также элементы коммутации линий с диодами и емкостями, при этом в качестве переключателя используется поляризованное электромагнитное реле, которое подключено тремя своими контактами в разрывы двух выходных линий передачи, где параллельно катушкам реле включены ограничительные диоды, а между выводами катушек и корпусом реле включены фильтрующие емкости, при этом три контакта реле используются для низкочастотного контроля состояния переключающих контактов.
Недостатками данного устройства являются невысокий коэффициент развязки между выходом и любым из неподключенных входов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому, является коммутационное поле (КП) - составная часть устройства, представленного в патенте на полезную модель [4], принятый за прототип.
На фиг. 1 изображена функциональная схема блока коммутации (коммутационного поля) устройства-прототипа, например при количестве входов N = 7, где обозначено:
БК1 - блок коммутации;
А1.1 - А1.7 - антенные входы с первого по седьмой соответственно;
К1.1 - ключ (поляризационное реле) первого антенного входа;
К1.2 - ключ (поляризационное реле) второго антенного входа;
К1.3 - ключ (поляризационное реле) третьего антенного входа;
К1.4 - ключ (поляризационное реле) первого и второго антенных входов;
К1.5 - ключ (поляризационное реле) третьего и четвертого антенных входов;
К1.6 - ключ (поляризационное реле) первой и второй групп антенных входов;
К1.7 - ключ (поляризационное реле) выходного сигнала;
К1.8 - ключ (поляризационное реле) четвертого антенного входа;
К1.9 - ключ (поляризационное реле) пятого антенного входа;
К1.10 - ключ (поляризационное реле) шестого антенного входа;
К1.11 - ключ (поляризационное реле) седьмого антенного входа;
К1.12 - ключ (поляризационное реле) пятого и шестого антенных входов;
К1.13 - ключ (поляризационное реле) третьей группы антенных входов и седьмого антенного входа;
R1 - R7 - резисторы.
Устройство-прототип является блоком коммутации БК1, рассмотрим пример при N антенных входах А1.1 - А1.N, где N=7.
БК1 содержит ключи (поляризованные реле) К1.1 - К1.13 и резисторы R1 - R7.
При этом входы ключей К1.1, К1.2, К1.3, К1.8, К1.9, К1.10, К1.11 подключены к соответствующим антенным входам А1.1 - А1.7.
Первый выход ключа К1.1 соединен с первым входом ключа К1.4, второй вход которого подсоединен к первому выходу ключа К1.2, второй выход которого через резистор R2 соединен с общей клеммой, к которой через резистор R1 подключен второй выход ключа К1.1.
Первый выход ключа К1.3 соединен с первым входом ключа К1.5, второй вход которого подсоединен к первому выходу ключа К1.8, второй выход которого через резистор R4 соединен с общей клеммой, к которой через резистор R3 подключен второй выход ключа К1.3.
Выходы ключей К1.4 и К1.5 соединены с соответствующими входами ключа К1.6.
Первый выход ключа К1.9 соединен с первым входом ключа К1.12, второй вход которого подсоединен к первому выходу ключа К1.10, второй выход которого через резистор R6 соединен с общей клеммой, к которой через резистор R5 подключен второй выход ключа К1.9.
Первый выход ключа К1.11 соединен со вторым входом ключа К1.13, первый вход которого подсоединен к выходу ключа К1.12. Второй выход ключа 1.11 через резистор R7 соединен с общей клеммой.
Выходы ключей К1.6 и К1.13 соединены соответственно с первым и вторым входами ключа К1.7, выход которого является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом.
При соответствующем подключении каждого из ключей (поляризованных реле) К1.1 - К1.13 к источнику питания +27 В (на схеме не показан) в положительной или отрицательной полярности напряжения, происходит требуемое переключение ключей между соответствующим антенным входом и общим выходом.
Недостатком устройства-прототипа является возможность работы только с одной из семи подключенных антенн, что в свою очередь исключает возможность осуществления пеленга на 360°. При этом также отсутствует возможность программного управления коэффициентом передачи и подключения сигнала калибровки.
Задача предлагаемого устройства состоит в обеспечении пеленгации в режиме реального времени в трех диапазонах рабочих частот с углом обзора 360° в каждом из диапазонов с сохранением переходного затухания между выходами и любым из отключенных входов более 60 дБ, при этом реализуется возможность программного изменения коэффициента передачи и подключения источника сигнала калибровки.
Для решения поставленной задачи в антенный коммутатор, включающий первый блок коммутации, содержащий семь ключей, первые входы первого, второго и третьего ключей подсоединены к первому, второму и третьему антенным входам соответственно; выход шестого ключа соединен с первым входом седьмого ключа, выход которого является выходом первого блока коммутации и первым выходом антенного коммутатора, согласно полезной модели, введены (N-1) блоки коммутации, идентичные первому, и предназначенные для коммутирования трех диапазонов частот, в каждом из которых выход первого ключа через последовательно соединенные первый аттенюатор и первый усилитель соединен с первым входом шестого ключа, второй выход четвертого ключа соединен со вторым входом второго ключа, выход которого через последовательно соединенные второй аттенюатор и второй усилитель соединен со вторым входом шестого ключа, первый выход пятого ключа соединен с входом четвертого ключа, первый выход которого соединен со вторым входом первого ключа; второй выход пятого ключа через последовательно соединенные третий ключ и третий аттенюатор подключен ко второму входу седьмого ключа; а также (N+1)-й блок коммутации, предназначенный для коммутирования двух диапазонов частот и состоящий из семи ключей, входы первого и второго ключей подсоединены к первому и второму антенным входам соответственно; выход первого ключа через последовательно соединенные первый аттенюатор и первый усилитель соединен с первым входом шестого ключа; второй выход четвертого ключа через последовательно соединенные второй ключ, второй аттенюатор и второй усилитель соединен со вторым входом шестого ключа, выход которого соединен с первым входом седьмого ключа, первый выход пятого ключа соединен с входом четвертого ключа, первый выход которого соединен со вторым входом первого ключа, второй выход пятого ключа через первый резистор соединен с общей клеммой, к которой через второй резистор подключен второй вход седьмого ключа, выход которого является выходом (N+1)-го блока коммутации и (N+1)-м выходом антенного коммутатора, кроме того, входы пятых ключей всех (N+1) блоков коммутации объединены и являются входом для калибровочного сигнала.
Заявляемый антенный коммутатор содержит N идентичных блоков коммутации БК1 - БКN, предназначенных для коммутирования трех диапазонов частот. (N+1)-й блок коммутации предназначен для коммутирования двух диапазонов частот и отличается от построения предыдущих N блоков коммутации.
Рассмотрим схему предлагаемого устройства с шестью блоками коммутации, причем пять из них (N=5) предназначены для переключения трех разных диапазонов частот, а шестой (N+1)=6 - для переключения двух разных диапазонов частот.
На фиг. 2 изображена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
БК1 - БК6 - первый - шестой блоки коммутации;
А1.1 - А1.3 - первый-третий антенные входы (разные диапазоны рабочих частот) первого блока коммутации БК1;
К1.1 - К1.7 - первый - седьмой ключи первого блока коммутации БК1;
АТТ1.1 - АТТ1.3 - первый - третий управляемые аттенюаторы с изменяемым коэффициентом аттенюации первого блока коммутации БК1;
У1.1, У1.2 - первый и второй управляемые усилители с изменяемым коэффициентом усиления первого блока коммутации БК1;
А2.1 - А2.3 - первый - третий антенные входы (разные диапазоны рабочих частот) второго блока коммутации БК2;
К2.1 - К2.7 - первый - седьмой ключи второго блока коммутации БК2;
АТТ2.1 - АТТ2.3 - первый - третий аттенюаторы второго блока коммутации БК2;
У2.1, У2.2 - первый и второй усилители второго блока коммутации БК2;
А5.1 - А5.3 - первый - третий антенные входы (разные диапазоны рабочих частот) пятого блока коммутации БК5;
К5.1 - К5.7 - первый - седьмой ключи пятого блока коммутации БК5;
АТТ5.1-АТТ5.3 - первый - третий аттенюаторы пятого блока коммутации БК5;
У5.1, У5.2 - первый и второй усилители пятого блока коммутации БК5.
А6.1, А6.2 - первый и второй антенные входы (разные диапазоны рабочих частот) шестого блока коммутации БК6;
К6.1, К6.2, К6.4 - К6.7 - первый, второй, четвертый - седьмой ключи шестого блока коммутации БК6;
АТТ6.1, АТТ6.2 - первый и второй аттенюаторы шестого блока коммутации БК6;
У6.1, У6.2 - первый и второй усилители шестого блока коммутации БК6;
R1, R2 - резисторы шестого блока коммутации БК6.
Входы пятых ключей К1.5, К2.5, К3.5, К4.5, К5.5 и К6.5 каждого блока коммутации БК1 - БК6 соединены между собой и являются входом антенного коммутатора для калибровочного сигнала.
Поскольку пять (N=5) блоков коммутации идентичны и предназначены для коммутирования трех диапазонов частот, рассмотрим их построение на примере первого блока БК1.
Первые входы первого К1.1, второго К1.2 и третьего К1.3 ключей подсоединены к первому А1.1, второму А1.2 и третьему А1.3 антенным входам соответственно.
Выход первого ключа К1.1 через последовательно соединенные первый аттенюатор АТТ1.1 и первый усилитель У1.1 соединен с первым входом шестого ключа К1.6.
Первый выход четвертого ключа К1.4 соединен со вторым входом первого ключа К1.1. Второй выход четвертого ключа К1.4 соединен со вторым входом второго ключа К1.2, выход которого через последовательно соединенные второй аттенюатор АТТ1.2 и второй усилитель У1.2 соединен со вторым входом шестого ключа К1.6.
Первый выход пятого ключа К1.5 соединен с входом четвертого ключа К1.4. Второй выход пятого ключа К1.5 через последовательно соединенные третий ключ К1.3 и третий аттенюатор АТТ1.3 подключен ко второму входу седьмого ключа К1.7, первый вход которого подсоединен к выходу шестого ключа К1.6. Выход седьмого ключа К1.7 является выходом первого блока коммутации БК1 и первым выходом антенного коммутатора.
В шестом (N+1)-ом, N=6) блоке коммутации БК6 первые входы первого К6.1 и второго К6.2 ключей подсоединены к первому А6.1 и второму А6.2 антенным входам соответственно.
Выход первого ключа К6.1 через последовательно соединенные первый аттенюатор АТТ6.1 и первый усилитель У6.1 соединен с первым входом шестого ключа К6.6, выход которого соединен с первым входом седьмого ключа К6.7, второй вход которого через второй резистор R2 подключен к общей клемме. Выход седьмого ключа К6.7 является выходом шестого блока коммутации БК6 и шестым выходом антенного коммутатора. Первый выход четвертого ключа К6.4 соединен со вторым входом первого ключа К6.1. Второй выход четвертого ключа К6.4 через последовательно соединенные второй ключ К6.2, второй аттенюатор АТТ6.2 и второй усилитель У6.2 соединен со вторым входом шестого ключа К6.6. При этом второй выход пятого ключа К6.5 через первый резистор R1 подключен к общей клемме.
Таким образом, каждый из (N+1) блоков коммутации подключен к антенным входам разных диапазонов, а также к источнику калибровочного сигнала (на фиг. 2 не показан). При этом выходы блоков коммутации являются соответствующими выходами антенного коммутатора.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В предлагаемом устройстве реализуется возможность работы в трех диапазонах рабочих частот, при этом в первых пяти блоках коммутации осуществляется переключение между тремя диапазонами частот, а в шестом БК6 коммутируются два диапазона. Пять блоков коммутации БК1 - БК5 и БК6 конструктивно расположены таким образом, чтобы в каждом из трех диапазонов рабочих частот охватывать 360°. А пятый блок коммутации БК5, состоящий также из 3 диапазонов, но предназначенный для подключения антенн с круговыми диаграммами направленности, работает постоянно, поэтапно переключая диапазоны рабочих частот, благодаря чему возможен мониторинг (сканирование) эфира в режиме реального времени. При обнаружении сигнала в одном из диапазонов работы пятого блока коммутации БК5 осуществляется переключение в БК1 - БК4 и БК6 на диапазон, в котором обнаружен сигнал. После переключения блоков БК1 - БК4 и БК6 на нужный диапазон рабочих частот происходит прием и обработка высокочастотного сигнала для определения пеленга и проведения технического анализа обнаруженного сигнала. Однако для работы в третьем диапазоне используются антенны с более широкой диаграммой направленности, чем в первых двух диапазонах. Это обеспечивает возможность производить пеленг на 360° четырьмя антеннами.
Приведем описание работы блоков коммутации на примере БК1.
Первый блок коммутации БК1 имеет два режима работы «работа» и «калибровка». В режиме «калибровка» на вход ключа К1.5 приходит сигнал калибровки, затем данный ключ поэтапно переключается на вход ключа К1.4 для калибровки первого и второго диапазона и на вход ключа К1.3 для калибровки тракта для третьего диапазона. Для калибровки первого диапазона сигнал с первого выхода К1.4 поступает на второй вход ключа К1.1 с выхода которого последовательно поступает на АТТ1.1, У1.1 и первый вход ключа К1.6, с выхода которого сигнал поступает на первый вход ключа К1.7 и далее на выход 1 устройства. Для калибровки второго диапазона сигнал со второго выхода К1.4 поступает на второй вход ключа К1.2 с выхода которого сигнал последовательно поступает на АТТ1.2, У1.2 и второй вход ключа К1.6, с выхода которого сигнал поступает на первый вход ключа К1.7 и далее на выход 1 устройства. Для калибровки третьего диапазона сигнал со второго выхода К1.5 поступает на второй вход ключа К1.3, с выхода которого сигнал последовательно поступает на АТТ1.3 и второй вход ключа К1.7 и далее на выход 1 устройства. После выполнения калибровки происходит выбор коэффициентов аттенюации в аттенюаторах АТТ1.1 - АТТ1.3 и коэффициентов усиления в усилителях У1.1 и У1.2.
После калибровки устройство переходит в режим «работа» (приема и пеленгации сигнала из эфира). Данный режим идентичен режиму калибровка с той разницей, что сигнал с антенн А1.1 - А1.3, отвечающих за соответствующие диапазоны частот, сразу поступает на первые входы ключей К1.1 - К1.3, а ключи К1.4 и К1.5 не задействованы.
Остальные блоки коммутации работают аналогично.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить пеленгацию в режиме реального времени в трех диапазонах рабочих частот с углом обзора 360° в каждом из диапазонов с сохранением переходного затухания между выходами и любым из отключенных входов более 60 дБ. При этом реализуется возможность программного изменения коэффициента передачи и подключения источника сигнала калибровки.
Сохранение переходного затухания обеспечивается изоляционным сопротивлением применяемых ключей и усилителя, а изменение коэффициента передачи обеспечивается в процессе работы аттенюаторов.
В качестве ключей могут быть использованы, например, высокочастотные ключи РЕ42540 фирмы PeregrineSemiconductor, в качестве усилителей У1.1, У1.2, У2.1, У2.2, У5.1, У5.2, У6.1 и У6.2 могут быть использованы, например, усилители LT5514 фирмы LinearTechnology, в качестве аттенюаторов АТТ1.1-АТТ1.3, АТТ2.1-АТТ2.3, АТТ5.1-АТТ5.3, АТТ6.1 и АТТ6.2 могут быть применены, например, цифровые аттенюаторы РЕ43704 фирмы PeregrineSemiconductor.
Источники информации
1. Высотский Б.Ф. «Основы проектирования микроэлектронной аппаратуры». - М.: Советское радио, 1978. - с. 74, рис. 2.29
2. А.с. №307514, H03K 17/04 с приоритетом от 8 января 1969 г.
3. Патент РФ на полезную модель №130167 от 10.07.2013
4. Патент РФ на полезную модель №147528 от 10.11.2014.