ВХОДНОЙ ЛИНЕЙНЫЙ МОДУЛЬ ШИРОКОПОЛОСНОГО ПРИЕМНОГО УСТРОЙСТВА СВЧ С РАСШИРЕННЫМ ДИНАМИЧЕСКИМ ДИАПАЗОНОМ
INPUT LINEAR MODULE OF BROADBAND RECEIVING MICROWAVE DEVICE WITH EXTENDED DYNAMIC RANGE

Изобретение относится к радиоэлектронике, а именно к входным линейным модулям приемных устройств СВЧ диапазона.
Основной тенденцией развития радиоэлектроники последних лет становится увеличение количества и расширение номенклатуры средств радиосвязи, активной радиолокации, радионавигации и других излучающих устройств. Вследствие этого возрастает интерес к адекватным средствам пассивной радиолокации. Применение технических средств пассивной радиолокации в реальных условиях происходит, как правило, в сложной помеховой обстановке. Аппаратура должна выполнять свою основную функцию в условиях воздействия помех высокой интенсивности, то есть принимать полезные сигналы малой амплитуды на фоне мощных мешающих сигналов. Требуемая помехозащищенность достигается расширением мгновенного динамического диапазона (ДД) входных сигналов. ДД приемника пассивной радиолокации определяется, в том числе, параметрами широкополосных приемных устройств СВЧ и входных линейных трактов.
Входной линейный модуль (ВЛМ) представляет собой защищенный по входу широкополосный малошумящий усилитель СВЧ с регулируемым коэффициентом усиления. Параметры этого усилителя в значительной степени определяют как нижнюю границу ДД - чувствительность СВЧ-приемника, так и его верхнюю границу. Современная элементная база СВЧ позволяет реализовать довольно высокие характеристики таких усилителей по полосе рабочих частот, коэффициенту шума, коэффициенту усиления, линейности амплитудной характеристики и другим параметрам. В то же время идет поиск технических решений, которые позволили бы обеспечить производство ВЛМ с расширенным ДД.
Известен способ расширения динамического диапазона в радиотехнических системах (патент РФ №2614345, МПК Н03В 1/00, опубликовано 24.03.2017, авторы: Рябов И.В., Клюжев Е.С., Дедов А.Н., Гарифуллина А.В.), состоящий в том, что вводится N блоков операционных усилителей, имеющих разные коэффициенты усиления и включенных параллельно, а также набор из K1.N ключей, которые подключают соответствующий операционный усилитель; расширитель динамического диапазона также имеет вторую группу, состоящую из N блоков операционных усилителей, которые подключаются параллельно при помощи K2.N ключей; при передаче сигнала работает первая группа операционных усилителей, а при приеме/обработке сигнала - вторая группа операционных усилителей.
Данный способ описывает известную схему многокаскадного усилителя, в котором для расширения ДД применен принцип отключаемых отдельных каскадов усиления. Недостатками устройств, реализующих предложенный способ является большой шаг ступеней ослабления сигнала и их ограниченное количество, определяемое числом каскадов. Дальнейшее увеличение числа каскадов едет к неоправданному усложнению конструкции усилителя, что закономерно приводит как к снижению надежности его работы, а также к увеличению габаритов устройства в целом.
Известна конструкция малошумящего усилителя (МШУ) Х-диапазона с использованием переключателя на входе для работы в режимах большого и малого сигналов («Расширение динамического диапазона малошумящего усилителя Х-диапазона», А.А. Кондукторов, А.И. Кирпиченков, Электронная техника. Серия 3: Микроэлектроника, 2015, №4 (160), стр. 35-38, УДК 621.396.621), выбранный в качестве прототипа. Устройство имеет два режима работы: малошумящий и режим большого сигнала. В малошумящем режиме сигнал, поступающий на вход, усиливается первым каскадом усиления, после чего проходит через переключатель на второй усилительный каскад. В режиме большого сигнала сигнал, поступающий на вход, отражается от выключателя, попадая в обводной канал через циркулятор, после чего проходит через переключатель на второй усилительный каскад. Вентиль включен в схему в качестве согласованной нагрузки в плече циркулятора, в режиме большого сигнала вентиль также является согласующим элементом во входной цепи транзистора. Для контроля уровня поступающей на вход мощности на выходе возможна установка детектора мощности. При альтернативной конструкции малошумящего усилителя основное отличие схемы заключается в том, что переключение сигнала на входе осуществляется с помощью МИС переключателя.
Недостатком предложенной конструкции малошумящего усилителя, выбранной в качестве прототипа предлагаемого изобретения, является то, что использование в схеме рассматриваемого усилителя циркуляторов значительно сужает его полосу пропускания. Также следует отметить, что данное устройство имеет слишком ограниченный диапазон регулировки усиления, что обусловлено наличием только отключаемого каскада при отсутствии дополнительных средств регулировки. Вышеперечисленные недостатки значительно снижают возможности широкого применения прототипа.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка входного линейного модуля (ВЛМ) широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном, обладающего возможностью плавной регулировки ослабления сигнала в широком диапазоне частот.
Технический результат достигается тем, что предлагается ВЛМ широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном, построенный на основе модели, сочетающей в себе функции «регулируемого усилителя» и «регулируемого аттенюатора».
Предлагается входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном, содержащий размещенные в корпусе плату питания и управления, и СВЧ часть, включающую СВЧ коммутатор 1×2, на вход которого подается входной СВЧ сигнал, первый усилительный каскад, вход которого соединен со вторым выходом СВЧ коммутатора 1×2, СВЧ коммутатор 2×1, первый вход которого соединен с выходом первого усилительного каскада и второй усилительный каскад, вход которого связан с выходом СВЧ коммутатора 2×1, отличающийся тем, что первый выход СВЧ коммутатора 1×2 непосредственно соединен со вторым входом СВЧ коммутатора 2×1, а выход СВЧ коммутатора 2×1 связан со входом второго усилительного каскада посредством управляемого СВЧ аттенюатора, при этом вход управляемого СВЧ аттенюатора соединен с выходом СВЧ коммутатора 2×1, а выход управляемого СВЧ аттенюатора соединен со входом второго усилительного каскада.
В предлагаемом входном линейном модуле широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном могут быть дополнительно включены полосно-пропускающий фильтр и ограничитель мощности, при этом вход СВЧ коммутатора 1×2 соединен с выходом полосно-пропускающего фильтра, а вход полосно-пропускающего фильтра соединен с выходом ограничителя мощности.
В предлагаемом входном линейном модуле широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном может быть дополнительно включен СВЧ коммутатор 2×1 для подключения контрольного сигнала, при этом вход СВЧ коммутатора 1×2 соединен со вторым выходом СВЧ коммутатора 2x1 для подключения контрольного сигнала.
Предлагаемый входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном включает в себя как отключаемый каскад усиления, так и управляемый СВЧ аттенюатор с усилителем.
Традиционно в схемотехнике при необходимости построения усилителей с расширенным динамическим диапазоном реализуются конструкции, предусматривающие установку регулируемого аттенюатора на входе усилителя, либо построение многокаскадных усилительных приборов с возможностью подключения-отключения отдельных каскадов. Однако схемы с регулируемым аттенюатором на входе лишь синхронно повышают значения обоих границ, но не ведут к росту мгновенного значения ДД. Кроме того, такой аттенюатор имеет собственные потери, что снижает чувствительность устройства. Недостатком схем с отключаемыми каскадами является большой шаг ступеней ослабления сигнала и их ограниченное количество, определяемое числом каскадов.
В предлагаемом изобретении удалось добиться расширения мгновенного ДД, при сохранении мелкого шага регулировки усиления. Предлагаемый входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном может обеспечить как мелкий шаг регулировки ослабления, так и расширение ДД. Поскольку при подключении первого усилительного каскада, верхнюю границу динамического диапазона с некоторого значения ослабления задает он, то получение максимальной глубины ослабления с мелким шагом подразумевает следующий алгоритм. С включенным первым усилительным каскадом ослабление задается управляемым СВЧ аттенюатором вплоть до максимального уровня. При достижении этого значения первый усилительный каскад отключается и затем вводится ослабление управляемым СВЧ аттенюатором от начального до максимального затухания.
Таким образом, предлагаемый входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном функционирует в двух режимах:
- первый усилительный каскад подключен и усиливает входной сигнал;
- первый усилительный каскад отключен, входной сигнал направлен в обход.
инт
Главным критерием, определяющим эффективность предлагаемой совмещенной схемы входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном, является получение максимального интегрального динамического диапазона (ДД) во всем диапазоне ослаблений управляемого СВЧ аттенюатора и во всех режимах:
ДД(а) - функция ДД от действующего значения ослабления коэффициента передачи.
А - максимальное суммарное ослабление при регулировке коэффициента передачи.
В предлагаемом изобретении при введении ослабления управляемым СВЧ аттенюатором в режиме, когда первый усилительный каскад подключен, наблюдается рост динамического диапазона, при этом его предельное значение ограничено коэффициентом усиления первого усилительного каскада и его линейностью.
Во втором режиме, когда первый усилительный каскад отключен, приращения динамического диапазона не происходит, так как схема вырождается в «регулируемый аттенюатор». Но, важно отметить, что совмещенная схема позволяет иметь малый шаг ослабления при реализации как первого, так и второго режима. Указанное обстоятельство крайне важно для применения в составе аппаратуры назначения.
инт
Критерий ДД хорошо согласуется с тактикой и логикой работы применения аппаратуры в условиях воздействия помех. При перегрузке входной сигнал ослабляется до необходимого уровня, несмотря на потерю чувствительности. В предлагаемом изобретении при ослаблении входного сигнала чувствительность ухудшается несущественно, за счет чего расширяется динамический диапазон и в свою очередь повышаются технические характеристики аппаратуры назначения.
Ограничитель мощности, который может быть расположен на входе, обеспечивает защиту предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном от воздействия помеховых СВЧ-сигналов с мощностью до 2 Вт в непрерывном режиме и постоянного напряжения. Полосно-пропускающий фильтр обеспечивает подавление внеполосных сигналов. Также предлагаемый входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном может иметь возможность подключения по входу контрольного сигнала посредством СВЧ коммутатора для подключения контрольного сигнала.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.
На фиг. 2 показаны графики экспериментальных измерений значений динамического диапазона предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном в зависимости от величины ослабления перестраиваемого СВЧ аттенюатора.
На фиг. 1 показаны следующие позиции:
1 - СВЧ коммутатор 1×2;
2 - первый усилительный каскад;
3 - СВЧ коммутатор 2×1
4 - управляемый СВЧ аттенюатор;
5 - второй усилительный каскад.
На фиг. 2 показаны следующие позиции:
6 - график верхней границы динамического диапазона предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном;
7 - график нижней границы динамического диапазона предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном (при эквивалентной полосе равной 10 ГГц);
8 - график динамического диапазона предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном;
9 - график динамического диапазона «гипотетического усилителя, построенного по схеме «регулируемого аттенюатора.
Был изготовлен образец показанного на фиг. 1 предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.
Отключаемый первый усилительный каскад 2 представляет собой схему из МШУ и двух СВЧ коммутаторов 1 и 3, обеспечивающих возможность включения линий передач в обход первого усилительного каскада 2. Предлагаемый входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном ВМУ имеет два режима работы:
- 1-й, когда задействован первый усилительный каскад 2;
- 2-й, когда отключен первый усилительный каскад 2;
Ступень ослабления коэффициента передачи первого усилительного каскада 2, обусловленная применяемой элементной базой, составила порядка 20 дБ.
Для тонкой регулировки усиления был задействован 5-битный цифровой аттенюатор СВЧ 4 с шагом ослабления 1 дБ и максимальным затуханием 31 дБ, расположенный в схеме на выходе первого усилительного каскада 2. Непосредственно после управляемого СВЧ аттенюатора 4 на выходе модуля был установлен усилитель мощности 5, точка IP3 по выходу которого составила 40 дБм.
Были проведены измерения изготовленного образца предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном. Результаты измерений показаны на экспериментальных графиках фиг. 2. при работе во всех режимах. Графики сняты путем последовательного увеличения ослабления управляемого СВЧ аттенюатора 4 в каждом из двух режимов работы модуля. При переходе в следующий режим управляемый СВЧ аттенюатор 4 сбрасывался в нулевое значение.
инт
Заштрихованная область, ограниченная линиями 8 и 9, соответствующая приращению ДД, иллюстрирует достигнутое расширение динамического диапазона. Места разрыва экспериментальных графиков соответствуют моментам отключения первого усилительного каскада 2. С отключенным первым усилительным каскадом 2 мгновенный динамический диапазон предлагаемого входного линейного модуля широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном возрастает на 12 дБ. Очевидно, что предлагаемое изобретение по динамическому диапазону превосходит «регулируемый аттенюатор» во всем диапазоне ослаблений.
Таким образом, при реализации предлагаемого изобретения удалось получить входной линейный модуль широкополосного приемного устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном, обладающий как более широким динамическим диапазоном, по сравнению с прототипом, так и возможностью плавной регулировки коэффициента передачи сигнала в широком диапазоне частот.