Устройство передатчика с рабочими частотами 220-300 ГГц

1. Область техники
Полезная модель относится к области радиотехники крайне высоких частот и может быть использована в радиотехнических системах различного целевого назначения в том числе радиосвязи, радиолокации и радионавигации для излучения сверхширокополосных (СШП) сигналов в диапазоне частот 220-300 ГГц.
2. Уровень техники
Одной из основных характеристик каналов связи является величина его пропускной способности.
Существующий разрыв в величине пропускной способности локальных проводных и беспроводных каналов связи (1 Гбит/с и 56 Мбит/с соответственно) сдерживает развитие рынка беспроводных конечных пользовательских устройств и снижает сквозную эффективность сетей передачи данных MAN, LAN и PAN уровней. Разрыв в величине пропускной способности магистральных проводных и беспроводных каналов связи (100 и 10 Гбит/с соответственно) ограничивает возможность организации мобильных «радиоперемычек» и мостов. Существующие и разрабатываемые системы беспроводной связи (WiFi, WiMAX и UWB) в диапазоне частот 2,4-38 ГГц характеризуются максимальной величиной пропускной способности порядка 480 Мбит/с (WiFi, WiMAX и UWB), обусловленное максимально разрешенной полосой частот каналов в этом диапазоне 56 МГц. Полосы частот, выделенные для систем глобальной беспроводной подвижной связи в диапазонах частот 60 ГГц, 80 ГГц и 90 ГГц, составляют соответственно 7 ГГц, 2×5 ГГц и 5 ГГц, что обуславливает практическое ограничение пропускной способности каналов связи величиной 10 Гбит/с.
Решение задачи увеличения пропускной способности беспроводных каналов связи исключительно путем совершенствования методов кодирования и модуляции не обеспечивает достижения требуемого результата. Максимально доступная мгновенная полоса для систем беспроводной связи в диапазоне частот до 100 ГГц не превышает 7 ГГц (диапазон 57-64 ГГц). Практическая реализация беспроводного оборудования базового и магистрального уровня с рабочими скоростями до 100 Гбит/с при такой рабочей полосе потребует обеспечения спектральной эффективности не менее 14 бит/с/Гц. Достижение таких величин возможно только путем применения сложных методов модуляции (с эффективностью не менее 512-QAM) и представляется практически не реализуемым.
Созданные на данный момент высокоскоростные радиорелейные линии фиксированной связи обеспечивают максимальную пропускную способность порядка 250 Мбит/с/канал и 1,5 Гбит/с в групповом режиме передачи данных. При этом применяются модуляции типа АФМ-16 и ОФМ-4 (с эффективностью 4 бит/с/Гц и 2 бит/с/Гц соответственно).
Использование сложных методов кодирования и модуляции сигнала в изделиях массового потребления технически способно обеспечить скорость 10 Гбит/с, но экономически решение не оправдано. Применение квадратурных типов модуляции со скоростями передачи до 10 Гбит/с требует значительных аппаратных вычислительных ресурсов как для модуляции/демодуляции, так и для коррекции возникающих ошибок. Наличие в составе абонентского оборудования высокопроизводительных АЦП и ПЛИС, способных обеспечить демодуляцию сложных сигналов с требуемыми скоростями, критически увеличивает стоимость аппаратуры и ее энергопотребление.
Одним из основных направлений развития технологии беспроводной высокоскоростной связи является освоение диапазона частот свыше 100 ГГц, как наименее загруженного. В рамках этой задачи проводятся исследования по созданию широкополосных передатчиков и приемников в диапазоне частот свыше 100 ГГц.
th
Известен передатчик высокоскоростного канала связи, обеспечивающий пространственно-селективное излучение сверхширокополосных сигналов с полосой до 40 ГГц в диапазоне частот (220-260) ГГц [Lopez-Diaz D., Tessmann A., Leuther A., Wagner S., Schlechtweg M. et al. "A 240 GHz quadrature receiver and transmitter for data transmission up to 40 Gbit/s". 8 European Microwave Integrated circuits Conference, EuMIC 2013, Proceedings: 6-8, Oct 2013. ISBN: 978-2-87487-032-3, рр. 440-443]. Передатчик построен по супергетеродинной схеме с фиксированной частотой гетеродина равной 110 ГГц, содержит в своем составе умножитель частоты гетеродина, субгармонический смеситель, усилитель мощности и узконаправленную зеркальную антенную систему. Передатчик обеспечивает выходную мощность излучаемого сигнала минус 1 дБм. Ширина диаграммы направленности зеркальной антенны составляет 0,3°. Передатчик выполнен на базе комплекта МИС выполненных на базе 35 nm InGaAs/lnAIAs/lnP mHEMT технологии.
Недостатками передатчика являются малая выходная мощность усилителя мощности передатчика и отсутствие возможности перестройки центральной частоты рабочей полосы излучаемого сигнала.
Наиболее близким по схемотехническому решению к предлагаемому передатчику является приемо-передающий модуль миллиметрового диапазона длин волн (US 006998708B2 опубл. 14.02.2006 г) принцип действия которого основан на гетеродинном переносе спектральных составляющих информационного сигнала в Ка диапазон частот.
Передатчик модуля построен на базе комплекта МИС, смонтированных на единой несущей подложке. В состав передатчика входят МИС смесителя с подавлением боковой полосы и несущей, МИС усилителя мощности, МИС умножителя сигнала гетеродина, а также полосовые фильтры сигнала гетеродина и фильтр выходного сигнала.
Предложенное схемотехническое решение обеспечивает достаточное для большинства практических задач подавление несущей частоты и составляющих зеркальной полосы излучаемого сигнала. Наличие интегрального усилителя мощности обеспечивает увеличение дальности системы связи в целом. Введение в состав передатчика умножителя частоты смещает центральную частоту рабочей полосы излучаемого сигнала в более высокочастотную область и обеспечивает возможность ее перестройки в пределах±15%.
Недостатками предложенного передатчика являются узкая сквозная полоса частот излучаемого сигнала, а также диапазон выходных рабочих частот, расположенный ниже 100 ГГц.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому передатчику является приемопередающий модуль (ЕР 0231422 В1 опубл. 05.08.1992 г.), представляющий собой единый модуль, в состав которого входят приемник и передатчик, имеющие общие цепи формирования сигнала гетеродина, питания и управления. Выходной сигнал передатчика поступает к облучателю антенны по волноводной линии передачи. Конструктивно предусмотрена возможность непосредственного подключения рупорной антенны к приемопередающему модулю. Входной разъем модуля - коаксиальный, выходной - волноводный фланец.
Недостатком предложенного передатчика являются узкая сквозная полоса частот излучаемого сигнала и отсутствие возможности перестройки центральной частоты полосы излучаемого сигнала.
3. Раскрытие полезной модели
Технической задачей полезной модели является разработка передатчика СШП сигналов, обеспечивающего возможность пространственно селективного излучения энергии спектральных составляющих сверхширокополосных сигналов с мгновенной полосой до 49,9 ГГц в диапазоне частот 220-300 ГГц.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в расширении полосы рабочих частот трактов усиления ПЧ, преобразования и усиления преобразованного сигнала, входящих в состав передатчика, а также расширение диапазона рабочих частот смесителя и усилителя мощности преобразованного сигнала из состава передатчика до границ полосы 220-300 ГГц.
Для достижения технического результата предлагается использовать в составе тракта ПЧ передатчика соединительные элементы, функциональные узлы и модули с мгновенной рабочей полосой не менее 50 ГГц, а в составе тракта преобразования и усиления - с мгновенной рабочей полосой не менее 220-300 ГГц.
Сущность полезной модели состоит в том, что входом передатчика для информационного сигнала является вход модуля усилителя ПЧ с рабочим диапазоном частот (0,1-53) ГГц, в состав модуля усилителя ПЧ входят полосовой фильтр гармоник с полосой пропускания (0-56) ГГц и усилитель с рабочим диапазоном частот (0,1-53) ГГц, выход модуля усилителя ПЧ соединен кабельной перемычкой с диапазоном рабочих частот (0,1-67) ГГц со входом сигнала ПЧ модуля субгармонического смесителя с рабочим диапазоном частот по сигналу ПЧ (0,1-80) ГГц, выход модуля субгармонического смесителя с рабочим диапазоном частот по сигналу радиочастот (220-300) ГГц соединен отрезком волноводной линии связи с рабочим диапазоном частот (220-300) ГГц со входом усилителя мощности с рабочим диапазоном частот (220-300) ГГц, выход усилителя мощности соединен со входом рупорной антенны передатчика, вход сигнала гетеродина субгармонического смесителя с рабочим диапазоном частот по сигналу гетеродина (110-150) ГГц соединен отрезком волноводной линии с рабочим диапазоном частот (110-170) ГГц со выходом модуля усилителя сигнала гетеродина с рабочим диапазоном частот (110-150) ГГц, вход усилителя сигнала гетеродина соединен с первым фланцем волноводной линии с рабочим диапазоном частот (110-170) ГГц, второй фланец которой является входом сигнала гетеродина передатчика.
Сочетание отличительных признаков и свойств предложенного передатчика СШП сигнала в диапазоне частот 220-300 ГГц из доступной литературы неизвестны, поэтому она соответствует критерию «новизна».
На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого передатчика.
На фиг. 2 изображен внешний вид конструкции заявляемого передатчика.
Входной информационный сигнал поступает на вход модуля УПЧ 107 передатчика. В состав УПЧ входят функциональные узлы фильтра верхних частот 117, усилителя ПЧ 113 и выходного фильтра гармоник 109. Нижняя граница полосы частот пропускания фильтра 117 равна 10 МГц, рабочая полоса частот усилителя ПЧ 113, выполненного на базе GaAs МИС, находится в пределах (0,1-56) ГГц, фильтр гармоник 109 имеет верхнюю границу полосы пропускания 56 ГГц. Входной и выходной коаксиальный соединители модуля УПЧ 107 обеспечивают согласованную трансляцию сигнала к внутренним сигнальным цепям модуля в диапазоне частот (0-67) ГГц. В результате прохождения модуля УПЧ 107 информационный сигнал усиливается на 20 дБ, а его полоса ограничивается по уровню минус 3 дБ диапазоном частот 0,1-56 ГГц.
Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта усиления и фильтрации сигнала ПЧ передатчика находится в пределах диапазона частот (0,1-56) ГГц и не приводит к потере мощности спектральных составляющих информационного сигнала в указанном диапазоне частот.При этом неравномерность АЧХ тракта усиления и фильтрации сигнала ПЧ в полосе частот (0,1-56) ГГц не превышает 3 дБ.
Усиленный и подвергнутый фильтрации информационный сигнал с выхода модуля УПЧ 107 поступает посредством кабельной перемычки 100 на входной разъем 101 модуля субгармонического смесителя гетеродина (СГСМ) 103. Верхняя граница рабочей полосы частот кабельной перемычки с коаксиальными разъемами типа VI 02-М равна 67 ГГц. Функциональный узел смесителя 111 реализован на базе InP МИС пассивного субгармонического смесителя резистивного типа. Широкополосную связь между входным сигнальным разъемом 101 модуля 103 и входом ПЧ МИС смесителя 111 обеспечивает узел микрополосково-копланарного перехода 106. Узел выполнен в виде пассивной МИС, содержащей цепи согласования на базе топологических трансформаторов с полосой рабочих частот (0-80) ГГц. Сформированный функциональным узлом смесителя 111 сигнал поступает на вход полосового фильтра 115, выделяющего спектральные составляющие преобразованного сигнала, расположенные в диапазоне частот (220-300) ГГц. Спектральные составляющие сигнала на выходе смесителя 111 с частотами ниже 160 ГГц подавляются. Посредством копланарно-волноводного перехода 118 преобразованный сигнал с выхода полосового фильтра 115 поступает на волноводный разъем 122 выходного сигнала модуля СГ 103. Потери преобразования модуля СГ не превышают 15 дБ, а неравномерность АЧХ на любом участке шириной 20 ГГц, в пределах полосы выходных рабочих частот (20-300) ГГц, не превышают 3 дБ.
Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта преобразования информационного сигнала передатчика находится в пределах диапазона частот (0,1-80) ГГц и не приводит к потере мощности спектральных составляющих информационного сигнала в указанном диапазоне частот. При этом неравномерность АЧХ тракта преобразования информационного сигнала на любом участке шириной 20 ГГц, в пределах полосы выходных рабочих частот (20-300) ГГц, не превышают 3 дБ.
Внешний сигнал гетеродина поступает на волноводный соединитель 123 модуля СГ по отрезку волноводной линии 126, соединенному с входным волноводным разъемом передатчика "ВХОД ГЕТ". Узел буферного усилителя гетеродина 114 выполнен на базе 50 нм InP НЕМТ МИС с диапазоном рабочих частот (100-155) ГГц. Поступивший на входной разъем 123 модуля сигнал гетеродина транслируется на вход МИС усилителя гетеродина посредством волноводно-микрополоскового перехода 119 с диапазоном рабочих частот 105-175 ГГц. Усиленный сигнал гетеродина поступает на вход сигнала гетеродина узла смесителя 111 посредством микрополосково-копланарного перехода 112 с диапазоном рабочих частот 0-180 ГГц.
Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта усиления сигнала гетеродина передатчика находится в пределах диапазона частот (105-155) ГГц и не приводит к потере мощности сигнала гетеродина в указанном диапазоне частот.
Сформированный модулем СГ 103 преобразованный сигнал поступает на входной волноводный разъем 124 модуля усилителя мощности 108 по отрезку волноводной линии 125. Узел усилителя мощности 116 выполнен на базе 50 нм InP НЕМТ МИС с диапазоном рабочих частот (220-300) ГГц. Поступивший на входной разъем 124 модуля 108 преобразованный сигнал транслируется на вход МИС усилителя мощности 116 посредством волноводно-микрополоскового перехода 120 с диапазоном рабочих частот 200-320 ГГц. Сигнал с выхода МИС усилителя мощности 116 транслируется на выходной волноводный разъем 105 модуля 108 посредством волноводно-микрополоскового перехода 110 с диапазоном рабочих частот 200-320 ГГц. Рупорная антенна 102 подключена непосредственно к фланцу волноводного соединителя модуля 108.
Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта усиления преобразованного информационного сигнала находится в пределах диапазона частот (220-300) ГГц и не приводит к потере мощности сигнала в указанном диапазоне частот.
Сквозная (мгновенная) полоса частот передатчика определяется наименьшей полосой пропускания входящих в его состав трактов и находится в пределах диапазона частот (0,1-50) ГГц при неравномерности АЧХ не более 6 дБ в пределах полосы 20 ГГц.