Блочный СВЧ-конструктор
BLOCK MICROWAVE CONSTRUCTOR

Изобретение относится к оборудованию и учебным макетным пособиям для проведения лабораторных работ и может быть использована для обучения студентов основам радиотехники.
Известна полезная модель «Электронный конструктор» (Патент РФ №186799, МПК, G09B 23/185 (2018.08). Опубл. 04.02.2019, бюл. №4), содержащий платформу, выполняющую функцию рабочего поля, СВЧ-блоки дискретных радиоэлектронных элементов на платформе с нанесенным условно графическим обозначением, соединительные проводники, соединение платформы и СВЧ-блоков дискретных радиоэлектронных элементов осуществляется разъемным соединением типа «шип-паз», блок питания.
Недостатком данного конструктора является недостаточная надежность крепления СВЧ-блока к платформе, отсутствие фиксации СВЧ-блока к платформе. Также коммутация СВЧ-блоков между собой происходит непосредственно пользователем посредством ручного соединения СВЧ линий связи. Отсутствие возможности изменения условий проведения экспериментального исследования при изучении принципов работы собранного из СВЧ-блоков каскада.
Известна модульная система строительных блоков (Патент США № US 20160134067 «MODULAR BUILDING BLOCK SYSTEM FOR RF AND MICROWAVE DESIGN OF COMPONENTS AND SYSTEMS FROM CONCEPT TO PRODUCTION)). МПК G01R 1/067. Опубл. 04.11.2015). Такая система представляет собой платформу с возможностью крепления на неб СВЧ-блоков, которые крепятся между собой посредством примыкания микрополосковых переходов на самих СВЧ-блоках.
Недостатками такой системы являются небольшие габариты СВЧ-блоков, сложность их крепления к платформе. Невозможность определения проходных параметров собранной радиотехнической цепи без нарушения ее целостности. Отсутствие возможности проведения экспериментальных исследований проходных характеристик каскадов, не нарушая их целостности, а также изменения условий проведения экспериментов для изучения получаемых результатов.
Наиболее близкой к заявляемому изобретению является «Модульная обучающая платформа BeeWave» (http://www.spectratronix.com/bee-wave-platform/ дата обращения 03.08.2021), состоящая из двух частей: n СВЧ-блоков и платформы, которая выполнена в виде параллелепипеда с массивом унифицированных посадочных мест, с расположенными в них физическими интерфейсами питания платформы и глухими резьбовыми отверстиями, на одной из боковых граней платформы расположен разъем питания, а внутри платформы расположен блок питания, электрически соединенный с физическими интерфейсами питания платформы, причем СВЧ-блоки закреплены на платформе с возможностью изменения их взаимного расположения путем установки в различные унифицированные посадочные места, на каждом СВЧ-блоке расположены сквозные резьбовые отверстия, а внутри него установлена СВЧ-плата, при этом на лицевой стороне каждого СВЧ-блока, расположены электрические коаксиальные соединители, а на основаниях СВЧ-блоков установлены физические интерфейсы питания СВЧ-блоков электрически соединенные с СВЧ-платами. На платформе СВЧ-блоки фиксируются при помощи двух болтов и двух глухих резьбовых отверстий установленных в унифицированных посадочных местах соответственно.
На каждом СВЧ-блоке расположены два электрических коаксиальных соединителя, установленные на лицевой стороне СВЧ-блока, а также физический интерфейс управления на основании СВЧ-блока.
Недостатками прототипа являются коммутация СВЧ-блоков посредством ручного присоединения соединительных линий передач сверхвысоких частот, отсутствие возможности проведения экспериментальных исследований проходных характеристик каскадов, не нарушая их целостности, а также изменения условий проведения экспериментов для изучения получаемых результатов.
Задачей предлагаемого изобретения является создание СВЧ-конструктора с улучшенными техническими характеристиками.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей и возможность подключения стандартных средств измерения, не нарушая целостности собранного каскада.
Технический результат достигается тем, что блочный СВЧ-конструктор состоящий из двух частей: n СВЧ-блоков и платформы, которая выполнена в виде параллелепипеда с массивом унифицированных посадочных мест, с расположенными в них физическими интерфейсами питания платформы и глухими резьбовыми отверстиями, на одной из боковых граней платформы расположен разъем питания, а внутри платформы - блок питания, электрически соединенный с физическими интерфейсами питания платформы, причем СВЧ-блоки установлены на платформе с возможностью изменения их взаимного расположения путем установки в различные унифицированные посадочные места, на каждом СВЧ-блоке выполнены сквозные резьбовые отверстия, а внутри него установлена СВЧ-плата, при этом на лицевой стороне каждого СВЧ-блока, расположена пара электрических коаксиальных соединителей, а на основаниях СВЧ-блоков расположены физические интерфейсы питания СВЧ-блоков электрически соединенные с СВЧ-платами, при этом пара электрических коаксиальных соединителей выполнена с возможностью подключения стандартных средств измерения, а на боковой грани платформы дополнительно установлен разъем управления, а внутри платформы - плата управления платформы, электрически соединенная с физическими интерфейсами питания платформы, блоком питания и разъемом управления, при этом унифицированные посадочные места на платформе расположены в виде сетки и дополнительно снабжены физическими интерфейсами управления платформы и третьей парой электрических коаксиальных соединителей, которые электрически соединены с ближайшей третьей парой электрических коаксиальных соединителей в соседних унифицированных посадочных местах, физические интерфейсы питания платформы и физические интерфейсы управления платформы электрически соединены с платой управления платформы, при этом внутри СВЧ-блока дополнительно установлена плата управления СВЧ-блока, которая электрически соединена с СВЧ-платой, на которой дополнительно расположен терморезистор и нагревательный элемент, на основании каждого СВЧ-блока дополнительно установлена вторая пара электрических коаксиальных соединителей, электрически соединенная с СВЧ-платой, и физический интерфейс управления СВЧ-блока электрические соединенный с платой управления СВЧ-блока, при этом на лицевой стороне каждого СВЧ-блока жестко закреплена пластина, выполненная из прозрачного материала.
Введение в устройство вторых пар электрических коаксиальных соединителей позволяет осуществлять коммутацию СВЧ-блоков без ручного подключения соединительных СВЧ линий связи, а свободные пары электрических коаксиальных соединителей могут использоваться для подключения стандартных средств измерения, не нарушая целостности собранного каскада из СВЧ-блоков. Терморезистор, нагревательный элемент, плата управления СВЧ-блока и плата управления платформы в совокупности дают возможность изменять условия проведения экспериментов при исследовании работы собранных каскадов. Ведение платы управления платформы и платы управления СВЧ-блока дает возможность управлять питанием СВЧ-блоков, температурой нагревательного элемента. Посредством физических интерфейсов в основании СВЧ-блоков и ответной части физических интерфейсов в унифицированных посадочных местах на платформе обеспечивается точное позиционирование СВЧ-блоков и их безопасная установка на унифицированные посадочные места. Разъем управления позволяет подключить внешний персональный компьютер к платформе, что дает возможность для контроля и изменения параметров и характеристик СВЧ-блоков.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид устройства сверху, на фиг. 2 - лицевая сторона СВЧ-блока, на фиг. 3 - основание СВЧ-блока, на фиг. 4, 5 представлены изометрические виды СВЧ-блока, на фиг. 6 - СВЧ-блок с сечением, фиг. 7 - унифицированное посадочное место, на фиг. 8 и 9 представлены изометрические виды заявляемого устройства и введены следующие обозначения:
1 - СВЧ-блок
2 - СВЧ-плата
3 - Пара электрических коаксиальных соединителей (Пара ЭКС)
4 - Терморезистор
5 - Нагревательный элемент
6 - Плата управления СВЧ-блока
7 - Физический интерфейс питания СВЧ-блока
8 - Физический интерфейс управления СВЧ-блока
9 - Вторая пара электрических коаксиальных соединителей (Вторая пара ЭКС)
10 - Пластина
11 - Сквозные резьбовые отверстия
12 - Платформа
13 - Унифицированные посадочные места
14 - Блок питания
15 - Плата управления платформы
16 - Разъем питания
17 - Разъем управления
18 - Третья пара электрических коаксиальных соединителей (Третья пара ЭКС)
19 - Физический интерфейс питания платформы
20 - Физический интерфейс управления платформы
21 - Глухие резьбовые отверстия
Блочный СВЧ-конструктор включает в себя: n СВЧ-блоков 1, в каждом из которых закреплена СВЧ-плата 2, с установленной на ней парой ЭКС 3, выполненных с возможностью подключения стандартных средств измерения, ориентированными вертикально вверх относительно лицевой стороны СВЧ-блока 1, с расположенными на ней терморезистором 4 и нагревательным элементом 5, под СВЧ-платой 2 установлена, электрически соединенная с ней, плата управления СВЧ-блока 6, в основании каждого СВЧ-блока 1 установлены физические интерфейсы питания СВЧ-блока 7 и управления СВЧ-блока 8, которые электрически соединены с платой управления СВЧ-блока 6, а также вторая пара ЭКС 9 электрически соединенные с СВЧ-платой 2 посредством жестких коаксиальных соединителей, на каждом СВЧ-блоке 1 установлена пластина 10, закрепленная на его лицевой стороне, и выполненная из прозрачного материала, каждый СВЧ-блок 1 имеет сквозные резьбовые отверстия 11 для фиксации на платформе 12, выполненной в виде параллелепипеда с массивом унифицированных посадочных мест 13 расположенных в виде сетки, причем СВЧ-блоки выполнены с возможностью изменения их взаимного расположения в унифицированных посадочных местах 13, внутри платформы 12 жестко закреплены электрически соединенные блок питания 14 и плата управления платформой 15, на одной из боковых граней платформы 12 установлены разъемы питания 16 и управления 17, электрически соединенные соответственно с блоком питания 14 и платой управления платформы 15, а в унифицированных посадочных местах 13 установлена третья пара ЭКС 18, физические интерфейсы питания платформы 19, физические интерфейсы управления платформы 20 и глухие резьбовые отверстия 21, которые предназначены для фиксации СВЧ-блоков 1 на платформе 12 в унифицированных посадочных местах 13, посредством болтового соединения, при этом третья пара ЭКС 18 последовательно соединена с ближайшей третьей парой ЭКС 18 в унифицированных посадочных местах 13, при этом физические интерфейсы питания 19 и управления 20 платформы электрически соединены с платой управления платформы 15, а физические интерфейсы питания платформы 19 электрически соединены с блоком питания 14.
СВЧ-блок может представлять собой различные элементы структурной схемы аналоговой части цифрового радиоприемного устройства, например, малошумящий усилитель, полосовой фильтр, смеситель, гетеродин, аттенюатор, а также элементы, не входящие в структурную схему аналоговой части цифрового радиоприемного устройства, предполагаемые для проведения дополнительных исследований.
Плата управления платформы и платы управления СВЧ-блоков содержат микроконтроллеры.
Блочный СВЧ-конструктор работает следующим образом: в зависимости от поставленной учебной задачи n СВЧ-блоков 1 устанавливают на платформу 12, позиционируют друг относительно друга сквозные резьбовые отверстия 11 с глухими резьбовыми отверстиями 21 и соединяют их посредством болтового соединения, далее производят коммутацию СВЧ-блоков 1 между собой посредством вторых 9 и третьих 18 пар ЭКС, далее блок питания 14 подключают к электросети через разъем питания 16. С блока питания 14 поступают электрические сигналы на физические интерфейсы питания платформы 19, далее они поступают на физические интерфейсы питания СВЧ-блоков 7, обеспечивая СВЧ-блоки 1 питанием.
Платформу 12 подключают к компьютеру через разъем управления 17. Сигнал с компьютера подается на плату управления платформы 15, которая с определенным промежутком времени посылает сканирующий сигнал, поступающий на физические интерфейсы управления платформы 20. В случае обнаружения СВЧ-блока 1 на унифицированном посадочном месте 13, он посылает информацию о себе в ответ на сканирующий сигнал с платы управления СВЧ-блока 6 на физический интерфейс управления СВЧ-блока 8, далее этот сигнал поступает на физический интерфейс управления платформы 20 и на плату управления платформы 15. При получении ответного сигнала плата управления платформы 15 обрабатывает и передает сигнал через разъем управления 17, содержащий информацию об установленном СВЧ-блоке 1 и его позиции на платформе 12 на компьютер на котором установлена программа управления блочным СВЧ-конструктором. Программа управления принимает сигнал и по нему определяет позицию СВЧ-блока 1 на платформе 12, и при этом позволяет задавать характеристики для дальнейшей работы, а также управлять нагревательным элементом 5 и терморезистором 4.
Рассмотрим работу, например, двух СВЧ-блоков 1, выполняющих роли полосового фильтра и малошумящего усилителя соответственно при нормальных условиях. На первый СВЧ-блок 1, выполняющего роль полосового фильтра, собранного каскада к одному из ЭКС первой пары 3 подключают внешний генератор сигналов, и подают сигнал, который проходит через один из ЭКС первой пары ЭКС 3, поступает на СВЧ-плату 2 и на один из ЭКС второй пары ЭКС 9, на СВЧ-плате сигнал обрабатывается, и при этом осуществляется селекция спектра сигнала, далее сигнал с СВЧ-платы 2 поступает на второй ЭКС первой пары ЭКС 3 и второй ЭКС второй пары ЭКС 9. Так как коммутация n СВЧ-блоков 1 происходит под платформой, то сигнал поступивший на второй ЭКС второй пары ЭКС 9 первого СВЧ-блока 1 поступает в один из ЭКС второй пары ЭКС 9 СВЧ-блока 1, выполняющего роль малошумящего усилителя, далее сигнал поступает на СВЧ-плату 2 и на один из ЭКС первой пары ЭКС 3, на СВЧ-плате сигнал усиливается, после чего поступает на второй ЭКС первой пары ЭКС 3 и на второй ЭКС второй пары ЭКС 9. Далее к одному из ЭКС первой пары ЭКС 3 СВЧ-блока 1, выполняющего роль малошумящего усилителя, подключают стандартные средства измерения, например осциллограф или анализатор спектра, для оценки обработанного сигнала и результатов работы устройства.
При необходимости исследования каскада СВЧ-блоков с измененными условиями работы, к платформе 12 подключается компьютер через разъем управления 17, в программе управления задается необходимая температура нагрева СВЧ-платы 2 определенного СВЧ-блока 1, с компьютера информационный сигнал передается на плату управления платформы 15, которая обрабатывает и передает информационный сигнал на физический интерфейс управления платформы 20, затем сигнал передается на физический интерфейс управления СВЧ-блока 1 и поступает на плату управления СВЧ-блока 6, которая регулирует подачу питания на нагревательный элемент 5. Терморезистор 4 посылает сигнал, содержащий информацию о температуре СВЧ-платы 2, на плату управления СВЧ-блока 6, которая обрабатывает и передает сигнал на плату управления платформы 15, которая обрабатывает полученный сигнал и передает его на компьютер пользователя, где программа выводит данные о температуре СВЧ-блока 1.
На основании вышеизложенного видно, что предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности СВЧ-конструктора, путем возможности подключения стандартных средств измерения, не нарушая целостности собранного каскада.