АНТЕННОЕ ПЕРЕКЛЮЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (АПУ)
ANTENNA SWITCHING DEVICE (ASD)

Изобретение относится к антенной технике, в частности к антенным системам на основе активных фазированных антенных решеток (АФАР), и может быть использовано в приемопередающих модулях (ППМ) АФАР в качестве антенного переключающего устройства. Антенные переключатели [1] предназначены для переключения антенны радиолокатора в режимы "передача-прием" и защиты приемника от повреждения мощными импульсами передатчика.
Известны ППМ, содержащие переключатели "передача-прием", однако они либо сложны и ненадежны [2], либо ограничены задачами узкого круга АФАР [3]. Известны также электрически управляемые СВЧ переключатели на управляемых диодах [4] с параллельным их включением, обладающие малыми массой и габаритами, высокими показателями по быстродействию, надежности, уровню переключаемой мощности, затратам на управление. Однако они обладают недостатком - невысокой развязкой между передающим и приемным каналами, зависящей от типа используемых диодов, а также большими потерями мощности как при передаче, так и при приеме.
В качестве прототипа может быть использован близкий по схемному построению электрически управляемый СВЧ переключатель с диодами, работающими как отражающие двухполюсники [5], представленный на Фиг. 1. Прототип содержит микроплату 1, на которой располагаются передающий, приемный и приемопередающий участки 2, 3 и 4 линии передачи, соответственно, первый согласующий отрезок 5, Т-образное разветвление, состоящее из согласующих отрезков 6, 7 и первого четвертьволнового отрезка 8, второй четвертьволновый отрезок 9, переключающую секцию 10, контрольный направленный ответвитель (КНО) 11, технологический направленный ответвитель (ТНО) 12 и согласованные с трактом резисторы 13 и 14, а также два переключающих диода (на фигуре не показаны), расположенные на отдельной металлической планке.
В режиме передачи зондирующий сигнал поступает от передатчика на передающий участок 2 микрополосковой линии, проходит через согласующий 5 и четвертьволновый 8 отрезки, далее, пройдя согласующий отрезок 7 Т-образного разветвления и КНО, через участок 4 микрополосковой линии идет на приемопередающий антенный элемент, а ответвленный сигнал с КНО 11 поступает на измеритель выходной мощности. При этом оба переключающих диода открыты, следовательно, переключающая секция 10, отражая зондирующий сигнал, закрыта для его прохождения. Переключающая секция при открытом диоде представляет собой низкодобротный резонатор, сильно связанный с трактом и настроенный на среднюю частоту рабочего диапазона. При поступлении на него зондирующего сигнала большая часть мощности отражается, а оставшаяся часть частично рассеивается на сопротивлении открытого диода, а частично просачивается через резонатор и по участку 3 линии передачи поступает на вход приемника, определяя конечную развязку между передающим и приемным каналами.
В режиме приема сигнал поступает на приемопередающий участок 4 микрополосковой линии, проходит через КНО 11, согласующие отрезки 7 и 6 Т-образного разветвления, далее через переключающую секцию 10, ТНО 12, приемный участок 3 и подается на вход приемника. При этом оба переключающих диода заперты, переключающая секция 10 слабо влияет на ослабление принимаемого сигнала при его следовании через приемный участок 3 линии. Четвертьволновые отрезки 8 и 9 обеспечивают условие непрохождения сигнала на передающий участок 2.
Главный недостаток прототипа - относительно невысокое значение развязки между передающим и приемным каналами, негативно сказывающееся при большом уровне мощности зондирующего импульса. К недостаткам прототипа следует отнести также отсутствие в нем схем для управления параметрами передатчика и приемника при высоком уровне мощности, поступающей на антенну извне, когда становится возможным выгорание отдельных элементов и узлов ППМ.
Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является создание многофункционального антенного переключающего устройства с улучшенными технико-эксплуатационными характеристиками в части высокой развязки между передающим и приемным каналами, уменьшения потерь мощности при передаче и приеме, надежности, а также возможности контроля мощности, идущей в направлении как от передатчика, так и от антенны, и защиты цепей передатчика и приемника, входящих в ППМ, при их регулировке и эксплуатации.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее изготовленную методом гибридно-интегральной технологии и размещенную в металлическом корпусе микроплату, представляющую собой диэлектрическую подложку с двусторонней металлизацией, на которой расположены передающий, приемный и приемопередающий участки линии передачи для подключения соответственно к передатчику, приемнику и антенне, Т-образное разветвление с первым четвертьволновым отрезком в плече передатчика, два направленных ответвителя с согласованными резисторами и три согласующих отрезка, а также два управляемых диода, первый из которых включен в плечо приемника, а второй, через второй четвертьволновый фидерный отрезок, - в плечо передатчика, причем оба диода установлены вблизи микроплаты на отдельной планке, введены выключающая секция с третьим и четвертым управляемыми диодами, фазосдвигающий отрезок линии, регистрирующий направленный ответвитель (РНО) с согласованным резистором во вторичном канале и две детекторные секции, заменены КНО и ТНО на компактные ответвители с более высокой направленностью, а переключающая секция выполнена в виде конструкции на подвешенной подложке для получения большей развязки каналов. При этом все элементы устройства, кроме первого и второго управляемых диодов, расположены на верхней стороне микроплаты, обратная сторона которой частично металлизирована и заземлена.
На Фиг. 2 представлена топология заявляемого антенного переключающего устройства (АПУ).
АПУ содержит микроплату 1, передающий, приемный и приемопередающий участки 2, 3 и 4 линии передачи, соответственно, первый согласующий отрезок 5, Т-образное разветвление, состоящее из согласующих отрезков 6, 7 и первого четвертьволнового отрезка 8, второй четвертьволновый отрезок 9, переключающую секцию 10,, контрольный направленный ответвитель (КНО) 11, регистрирующий направленный ответвитель (РНО) 31, технологический направленный ответвитель (ТНО) 12 и согласованные с трактом резисторы 13, 14 и 32, выключающую секцию 28, а также первую и вторую детекторные секции (ДС) 37, 38, соответственно, а первый и второй управляемые диоды расположены, как и в прототипе, на отдельной металлической планке (на фигуре сверху черными точками показаны места их подключения).
В отличие от прототипа переключающая секция 10 конструктивно выполнена на подвешенной подложке, на верхней стороне которой размещены три расположенные параллельно третий 15 и четвертый 16, крайние, и пятый 17, центральный, четвертьволновые микрополосковые отрезки, электромагнитно связанные между собой. Нижняя сторона той части подложки, где расположена переключающая секция, свободна от металлизации и образует зазор с плоским участком металлического корпуса, в котором в этом месте сделан вырыв. Этот зазор величиной, не превышающей половины толщины подложки, усиливает запирание переключающей секции при открытом первом управляемом диоде, увеличивает частотную полосу запирания секции, что в совокупности приводит к повышению развязки каналов, и уменьшает омические потери в ней при закрытом диоде. Оставшаяся часть нижней стороны подложки металлизирована и жестко соединена с корпусом. Как и в прототипе, первый четвертьволновый отрезок 8 в целях повышения компактности схемы выполнен в виде меандра.
Выключающая секция 28 состоит из двух одинаковых цепочек, разделенных согласующим отрезком 25, длина и ширина которого находятся в результате решения оптимизационной задачи. В каждую из цепочек входит соединение навесного конденсатора 23, третьего или четвертого управляемого диода 24, заземленного на конце отрезка микрополосковой линии 26, металлической перемычки 27.
Контрольный 11 и регистрирующий 31 направленные ответвители одинаковые и, в отличие от прототипа, состоят из коротких связанных, параллельно расположенных микрополосковых отрезков 29, 30 и областей перехода от связанных линий к несвязанным, существенно влияющих на направленность КНО и РНО. От прототипа ответвители отличаются уменьшенными габаритами и повышенной направленностью.
Технологический направленный ответвитель 12 также выполнен на связанных параллельно расположенных микрополосковых отрезках линий разной ширины, причем к узкой линии вторичного канала 33 параллельно подключен короткий шлейф 34 с уширением на конце 35 для обеспечения емкостной связи с линией основного канала ТНО. По сравнению с прототипом этот ТНО имеет более высокую направленность.
При этом передающий участок 2 линии передачи через первый согласующий отрезок 5 соединен со вторым управляемым диодом посредством второго четвертьволнового отрезка 9 и с приемопередающим участком 4 линии передачи - через каскадно-соединенные первый четвертьволновый 8, третий согласующий 7 отрезки и основной канал РНО 31, основной канал КТО 11, а приемный участок 3 линии передачи каскадно соединен с основным каналом ТНО 12, фазосдвигающим отрезком 36, выключающей секцией 28, четвертым 16 и соединенным с ним навесной перемычкой 22 третьим 15 четвертьволновыми отрезками переключающей секции 10 и вторым 6 и третьим 7 согласующими отрезками, причем конец пятого 17, центрального четвертьволнового отрезка переключающей секции 10 со стороны перемычки 22 соединен с первым управляемым диодом, а другой его конец свободен, одно из плеч вторичного канала КНО 11 соединено с заземленным согласованным резистором 13, а другое плечо через ДС 37 подключается к измерителю выходной мощности канала, а также одно из плеч вторичного канала РНО 31 соединено с заземленным согласованным резистором 32, а другое плечо через ДС 38 подключается к схеме защиты цепей передатчика и приемника, одно из плеч вторичного канала ТНО 12 соединено с заземленным согласованным резистором 14, а другое плечо служит для подключения к источнику настроечных сигналов.
АПУ работает следующим образом.
В режиме передачи зондирующий сигнал поступает от передатчика на передающий участок 2 микрополосковой линии, проходит через согласующий 5 и четвертьволновый 8 отрезки, далее, пройдя согласующий отрезок 7 Т-образного разветвления, основные каналы РНО и КНО, через участок 4 микрополосковой линии идет на приемопередающий антенный элемент, а ответвленный сигнал с КНО 11 поступает через ДС 37 на измеритель выходной мощности. При этом первый и второй управляемые диоды открыты, следовательно, переключающая секция 10, почти полностью отражая зондирующий сигнал, закрыта для его прохождения. Оставшаяся часть частично рассеивается на сопротивлении открытого диода, а частично просачивается через секцию и далее через выключающую секцию 28, (находящуюся в режиме запирания), фазосдвигающий отрезок 36, пройдя по участку 3 линии передачи, поступает на вход приемника, определяя конечную развязку передающего и приемного каналов. В отличие от прототипа наличие подвешенной подложки в переключающей секции и дополнительно встроенная выключающая секция существенно увеличивают развязку между каналами.
В режиме приема слабый сигнал поступает на приемопередающий участок 4 микрополосковой линии, проходит через КНО 11 и РНО 31, согласующие отрезки 7 и 6 Т-образного разветвления, далее через переключающую секцию 10, выключающую секцию 28, фазосдвигающий отрезок 36, ТНО 12, приемный участок 3 и подается на вход приемника. При этом все четыре управляемых диода заперты, переключающая секция 10 и выключающая секция 28 слабо влияют на ослабление принимаемого сигнала при его следовании через приемный участок 3 линии. Как и в прототипе, четвертьволновые отрезки 8 и 9 обеспечивают условие непрохождения сигнала на передающий участок 2.
Если на приемопередающий участок 4 микрополосковой линии при работе АПУ в любом режиме поступает через антенну сильный сигнал от источника помех либо сигнал, отраженный от поврежденного антенного элемента (дающего высокий КСВ), то на выходе ДС 38, стоящей во вторичном канале РНО, появляется напряжение, которое подается на схему защиты цепей передатчика и приемника. В результате мощность передатчика резко снижается, а канал приемника запирается. После прекращения действия дестабилизирующих факторов автоматически восстанавливается обычный режим работы АПУ.
Предлагаемое антенное переключающее устройство реализовано в L-диапазоне на микроплате с диэлектрической подложкой из поликора с размерами 60 мм × 30 мм × 1 мм на переключательных диодах типа 2А507А (в переключающей секции), переключательных диодах типа 2А543А-5 (в выключающей секции) и с переключающей секцией из прототипа. При ширине полосы частот 10% и импульсной мощности 1500 Вт оно имеет следующие экспериментальные характеристики: величина КСВ на приемопередающем участке 4 в точке подключения АПУ к антенному элементу 1,35; потери на передачу на краях диапазона 0,6 дБ, а в середине диапазона 0,45 дБ; развязка передающего и приемного каналов >50 дБ. Кроме того применение новых ответвителей, обладающих опытной направленностью не ниже 23 дБ, способствует уменьшению неравномерности соответствующих характеристик устройства. Проведенные расчеты показали, что при замене переключающей секции из прототипа на соответствующую секцию на подвешенной подложке с зазором 0,4 мм развязка каналов увеличивается не менее чем на 10 дБ.
Таким образом, введение в АПУ соединенных по приведенной топологии новой выключающей секции с третьим и четвертым управляемыми диодами, фазосдвигающего отрезка, регистрирующего направленного ответвителя (РНО), двух детекторных секций (ДС), замена КНО и ТНО на компактные ответвители с более высокой направленностью и выполнение переключающей секции в виде конструкции на подвешенной подложке для получения большей развязки каналов, позволяют получить многофункциональное антенное переключающее устройство с улучшенными указанными выше технико-эксплуатационными характеристиками.
Литература
1. Справочник по радиолокации. Редактор М. Сколник. М. "Советское радио", 1977, том 2, с. 42-49.
2. Патент США 5093667, МПК H03F 3/68, H01Q 3/26, опубл. 1992.
3. Патент РФ 2206155, МПК H01Q 3/34, опубл. 2003.
4. М.Е. Ильченко, В.Г. Осипов. Электрически управляемые СВЧ переключатели на полупроводниковых диодах, Известия ВУЗов СССР - Радиоэлектроника, 1977, том XX, 2, с. 5-17.
5. Патент РФ 2447553, МПК H01Q 23/00, опубл. 2012 (прототип).