МОДУЛЬ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СИГНАЛОВ СВЧ МАЛОЙ МОЩНОСТИ И СПОСОБ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СВЧ-СИГНАЛОВ В РАЗВЯЗЫВАЮЩЕМ УСТРОЙСТВЕ
MODULE FOR SWITCHING LOW-POWER MICROWAVE SIGNALS AND A METHOD OF SWITCHING MICROWAVE SIGNALS IN A DECOUPLING DEVICE

Изобретение относится к СВЧ-технике и может быть использовано в приемопередающих модулях активных фазированных решеток (АФАР) и других устройствах для коммутации приемо-передающих каналов.
Известен многоканальный СВЧ полосковый переключатель (авторское свидетельство СССР №1840040, 1984 г.), в котором каждая из переключательных групп состоит из двух диодов и четвертьволнового отрезка линии, включенных последовательно в микрополосковую линию. Этот переключатель имеет большие габариты и узкий диапазон частот, что обусловлено использованием полуволновых отрезков линий.
В качестве прототипа выбран диодный переключатель двух каналов фидерного тракта, содержащий Т-образное разветвление линий передачи, первое плечо которого является входом переключателя, а два других плеча - двумя выходами переключателя (авторское свидетельство СССР №1437940, 1988 г.). Основным недостатком такого переключателя является недостаточно большой уровень входной СВЧ-мощности при малой развязке между выходными каналами. Для обеспечения работоспособности переключателя при большей мощности проходящего сигнала необходимо увеличение числа переключаемых диодов, приводящее к снижению надежности переключателя и увеличению потерь в приемном канале.
Техническая проблема состоит в возможности коммутации внешнего сигнала с любого входа на любой выход модуля.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение развязки между каналами, увеличение надежности, уменьшение габаритов.
Для этого модуль переключения сигналов СВЧ малой мощности для приемо-передающей аппаратуры, выполненный в герметичном исполнении с коаксиальными микрополосковыми переходами для коаксиальных СВЧ входов и выходов, содержащий СВЧ входы, соединенные с соответствующими предварительными широкополосными усилителями входных СВЧ сигналов, выход каждого из которых соединен с соответствующим делителем мощности на два выходных канала, каждый из которых соединен с соответствующим неотражающим переключателем каналов, а также усилитель выходного канала, соединенный с СВЧ выходом модуля переключения, отличающийся тем, что в каждый выходной канал включены сумматор сигналов и амплитудный корректор, причем каждый неотражающий переключатель каналов выполнен в виде первого и второго переключателя, при этом вход первого переключателя соединен с соответствующим выходом соответствующего делителя мощности на два выходных канала, а его выходы соединены с входом второго переключателя и входами первого переключателя неотражающего переключателя каналов другого входного канала, выходы вторых переключателей неотражающего переключателя первого и второго входных каналов через сумматор соединены с входом усилителя выходного канала, выход которого соединен с амплитудным корректором для компенсации неравномерности коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот, выход амплитудного корректора через усилитель мощности соединен с соответствующим СВЧ выходом модуля переключения, а в способе переключения сигналов СВЧ малой мощности для приемо-передающей аппаратуры с двумя СВЧ входами и двумя СВЧ выходами, включающий предварительное усиление переключаемых сигналов и деление их по мощности на два канала переключения, работающих независимо и служащих для включения/отключения СВЧ тракта по пути прохождения сигналов со входа на произвольный выход модуля, при этом при передаче сигнала от первого СВЧ входа на первый СВЧ выход микросхемы одного переключателя переводит сигнал в сторону первого СВЧ выхода, а вторая микросхема отключает тракт в сторону второго СВЧ выхода, при передаче сигналов с первого СВЧ входа на второй СВЧ выход вторая микросхема переключателя переводит тракт в сторону второго СВЧ выхода, а первая микросхема отключает тракт в сторону первого СВЧ выхода, микросхемы другой пары переключателей со стороны второго входа переключаются на неиспользуемые выходы, при передаче сигналов с первого СВЧ входа на два СВЧ выхода одновременно одна микросхема переключателя переводит тракт на один СВЧ выход, а другая микросхема переводит сигнал на другой СВЧ выход, после прохождения через первый тракт переключения каналов сигнал поступает на второй каскад переключения для увеличения развязки на 60-70 дБ на делитель мощности для суммирования сигнала, широкополосного усиления и амплитудной коррекции СВЧ сигнала, обеспечивая требуемую неравномерность коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот путем внесения на низких частотах рабочего диапазона дополнительных активных потерь, при включении микросхемы переключателя в тракт используются только выход и один вход переключателя, второй вход нагружен, на незадействованный вход второй микросхемы переключателя из пары переключателей.
На фиг. 1 показана структурная схема модуля переключения сигналов СВЧ малой мощности.
На фиг. 2 приведен внешний вид модуля (без гермокрышки).
Структурная схема (фиг. 1) модуля переключения сигналов СВЧ малой мощности содержит:
СВЧ входы 1, 2, предварительные широкополосные усилители 3, 4, делители мощности 5, 6 на два выходных канала 7, 8, неотражающие переключатели каналов 9, 10, 11, 12, 19, 20, 21, 22 в выходных каналах 7, 8, сумматоры 13, 14 усилители 15, 16, амплитудные корректоры 17, 18 для компенсации неравномерности коэффициента передачи в диапазоне рабочих частот, выходы амплитудных корректоров через усилители мощности 23, 24 соединены с соответствующим СВЧ выходом модуля переключения.
СВЧ коммутаторы активно используются для амплитудных манипуляций высокочастотных колебаний в современных трактах приемопередающих систем.
В СВЧ-переключателях для АФАР в подавляющем большинстве в качестве активных элементов используются p-i-n-диоды и полевые транзисторы, позволяющие, по сравнению с циркуляторами, обеспечить выигрыш в габаритах, массе и себестоимости. При этом наиболее распространенными и эффективными, с точки зрения стабильной работоспособности СВЧ-переключателей, являются диодные переключатели.
Вместе с тем, в связи с возрастанием уровня СВЧ-мощности передатчиков, возрастают требования к надежности СВЧ-устройств, предназначенных для защиты входных трактов приемников.
В предложенном модуле осуществляется переключение (коммутация) внешнего СВЧ сигнала с любого входа на любой выход модуля, на оба выхода одновременно или на режим, при котором все каналы выключены.
Коммутация сигналов в диапазоне частот от 0,1 ГГц до 40 ГГц необходима, например, при переключении антенны между несколькими передатчиками и/или приемниками, для подключения резервных блоков, фильтров предварительной селекции или делителей мощности, при использовании многоэлементных антенных систем и в других ситуациях.
Диапазон рабочих частот модуля определяет выбор базовой технологии, типы вводов и выводов энергии, питания и сигналов управления, а также линий передачи электромагнитной энергии.
Модуль выполнен в герметичном металлическом корпусе с коаксиальными СВЧ выходами и входами (коаксиальными микрополосковыми переходами), волновое сопротивление - 50 Ом.
Общее заземление модуля осуществляется через металлические лепестки непосредственно на массу корпуса.
Функционирование модуля осуществляется следующим образом:
Для корректной работы входной сигнал должен находиться в рабочем диапазоне частот от 2 ГГц до 18 ГГц и иметь уровень мощности не более 1 мВт.
Предварительное усиление СВЧ сигнала, поступающего на вход 1 (или вход 2) обеспечено усилителями 3, 4, построенными с использованием широкополосного усилителя.
Деление мощности на два канала в направлении к выходу 7 и выходу 8 осуществлено делителем (сумматором) мощности.
Делитель мощности в делителях (сумматорах) 5, 6, 13, 14 представляет собой трехзвенный мост Вилкинсона с элементами искусственной линии, выполненный по микрополосковой технологии, на подложке из поликора, и имеет сверхминиатюрные размеры 18×10,25 мм. Делитель обеспечивает деление мощности на два канала с равной амплитудой и фазой. Коэффициент передачи делителя с суммирующего входа на один из выходов составляет не менее -5 дБ. Разброс коэффициента передачи между каналами ± 0,5 дБ (при одинаковой нагрузке обоих каналов). Развязка между каналами не менее 10 дБ.
К каждому выходу делителя 5, 6, 13, 14 последовательно подключены по два переключателя 9, 12 и 10, 11.
В модуле содержится два коаксиальных СВЧ входа 1, 2 и два коаксиальных СВЧ выхода 7, 8.
В модуле реализована возможность переключения (коммутации) внешнего СВЧ сигнала с любого входа на любой выход модуля или на оба выхода одновременно. Также возможен режим, при котором все каналы выключены. Электрическая развязка между любыми включенными и выключенными каналами, в рабочем диапазоне частот, составляет 65-70 дБ.
Переключение происходит следующим образом (лево- и право- определяется в соответствии с фиг. 1):
Если требуется передать сигнал со входа 1 (входа 2) на выход 7, то левая пара переключателей включает тракт в сторону выхода 7, а правая пара переключателей отключает тракт в сторону выхода 8. Микросхемы правой пары переключателей переключены на неиспользуемые входы.
Если требуется передать сигнал со входа 1 (входа 2) на выход 8, то правая пара переключателей включает тракт в сторону выхода 8, а левая пара переключателей отключает тракт в сторону выхода 7. Микросхемы левой пары переключателей переключены на неиспользуемые входы.
Если требуется передать сигнал со входа 1 (входа 2) одновременно на выход 7 и выход 8, то левая пара переключателей включает тракт в сторону выхода 7, а правая пара переключателей включает тракт в сторону выхода 8.
Если требуется обеспечить выключенное состояние, то левая пара переключателей отключает тракт в сторону выхода 7, а правая пара переключателей отключает тракт в сторону выхода 8. Микросхемы левой и правой пар переключателей переключены на неиспользуемые входы.
После прохождения через тракт переключения каналов сигнал поступает на один из входов сумматора (делителя) 13, 14 мощности.
Для обеспечения требуемых значений коэффициента усиления, на каждом выходе модуля установлены по два усилительных узла, построенных с использованием широкополосных усилителей. Между усилителями 15 и 24 предусмотрен амплитудный корректор 17. Между усилителями 16 и 23 предусмотрен амплитудный корректор 18. Амплитудные корректоры 17, 18 обеспечивают требуемую неравномерность коэффициента усиления в диапазоне рабочих частот, путем внесения на низких частотах рабочего диапазона дополнительных активных потерь. Уровень коррекции амплитудно-частотной характеристики составляет не менее 8-10 дБ на частоте 2 ГГц. Потери на частоте 18 ГГц не превышают 2-3 дБ. Корректоры выполнены по микрополосковой технологии, на подложке из поликора и включают в себя пять звеньев коррекции.
Переключатели 9-19, 10-20, 22-11, 21-12 работают синхронно и служат для включения (отключения) СВЧ тракта по пути прохождения сигнала со входа 1, 2 на выходы модуля 7, 8. Использование пары переключателей обеспечивает развязку между каналами и требуемое значение коэффициента передачи канала в выключенном состоянии. Конструкция и расположение внутренних перегородок модуля, расстояние между переключателями в паре (около 20 мм) выбрано с учетом электрической герметичности модуля, устранения влияния паразитного объемного внутрикорпусного излучения и обратной связи.
При включении переключателя в тракт использованы только выход и один вход переключателей 19, 20, 21, 22, второй вход нагружен. Нагрузка незадействованного неотражающего входа переключателей 19, 20, 21, 22 осуществлена путем электрического соединения с незадействованным входом ближайшей микросхемы из пары переключателей соседнего канала модуля.
Такой способ нагрузки микросхем позволяет отказаться от использования дополнительных широкополосных нагрузочных резисторов и, тем самым, значительно уменьшить объем и габариты модуля.
Внутреннее пространство корпуса, узлы и детали их крепления сконструированы таким образом, чтобы максимально обеспечить электрическую герметичность модуля, устранить паразитные связи через объем, возникающие между узлами.
Используемые схемотехнические и конструктивные решения дают возможность создать модуль высокой степени интеграции, максимально минимизировать его массу и габариты, при сохранении высокого эксплуатационного уровня стойкости к внешним воздействиям и выполнения требований к электрическим параметрам.