МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СВЧ ПРИЕМНИК С ДВОЙНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ
MULTICHANNEL MICROWAVE RECEIVER WITH DOUBLE FREQUENCY CONVERSION

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к СВЧ приемникам, применяемым в системах связи, навигации, а также бортовых и наземных РЛС.
Из уровня техники известен многоканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты (Свидетельство на полезную модель RU №7787, опубликовано 1998.09.16, МПК Н04В 1/06), который содержит малошумящий усилитель, первый смеситель частот с цепью формирования сигнала первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый полосно-пропускающий фильтр, блок автоматической регулировки усиления сигнала со схемой управления, второй полосно-пропускающий фильтр, второй смеситель частот с цепью формирования сигнала второго гетеродина, третий полосно-пропускающий фильтр, усилитель второй промежуточной частоты, а также выключатели, обеспечивающие бланкирование приемного канала от сигналов передатчика.
К недостаткам данного приемника можно отнести отсутствие защиты приемных каналов от воздействия мощных входных сигналов, необходимость передачи сигнала первого гетеродина на 1 высокой частоте, что приводит к потерям в кабельной сети РЛС, а также большое количество вентилей, используемых в схеме.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты (патент на изобретение RU №2369962, опубликовано 2009.10.10, МПК
Н04В 1/06). Данный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты содержит делитель мощности, схему управления и n приемных каналов, каждый из которых включает: малошумящий усилитель, вентиль, первый смеситель частот, первый и второй полосно-пропускающие фильтры, усилитель первой промежуточной частоты, второй смеситель частот, усилитель второй промежуточной частоты.
СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты дополнительно содержит умножитель частоты, а каждый приемный канал - циклотронное защитное устройство, первый, второй и третий аттенюаторы, второй, третий и четвертый усилители первой промежуточной частоты, направленный ответвитель, третий полосно-пропускающий фильтр, первый и второй переключатели.
К недостаткам данного устройства можно отнести недостаточную помехозащищенность, недостаточную стабильность параметров приемного канала при температурных воздействиях, а также проникновение в полосу сигнала на первой промежуточной частоте сигнала второго гетеродина.
Технический результат предлагаемого технического решения заключается в повышении помехозащищенности устройства от внешних факторов и паразитных излучений, обеспечении высокой стабильности параметров канала при климатических воздействиях, а также в исключении возможности проникновения сигнала второго гетеродина в полосу полезного сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте.
Технический результат достигается тем, что заявляемый многоканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты содержит делитель мощности, а также схему управления, умножитель частоты и n приемных каналов. Каждый из n каналов включает последовательно соединенные циклотронное защитное устройство, малошумящий усилитель, вентиль, первый смеситель частот, первый полосно-пропускающий фильтр, первый усилитель первой промежуточной частоты, первый переключатель, а также второй полосно-пропускающий фильтр, первый аттенюатор, второй переключатель, второй усилитель первой промежуточной частоты, второй аттенюатор, третий аттенюатор, третий усилитель первой промежуточной частоты, четвертый усилитель первой промежуточной частоты, третий полосно-пропускающий фильтр, второй смеситель частот, усилитель второй промежуточной частоты. При этом он отличается от прототипа тем, что дополнительно содержит коммутатор, каскад термостабилизации, четвертый аттенюатор, третий переключатель, четвертый переключатель, пятый аттенюатор, пятый переключатель.
При этом выход первого усилителя первой промежуточной частоты соединен с первым входом первого переключателя, первый выход первого переключателя соединен с входом второго полосно-пропускающего фильтра, выход которого соединен с первым входом второго переключателя, второй выход первого переключателя соединен с входом первого аттенюатора, выход которого соединен со вторым входом второго переключателя, выход второго переключателя соединен с входом второго усилителя первой промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом второго аттенюатора, выход второго аттенюатора соединен с первым входом третьего аттенюатора, выход которого соединен с входом третьего усилителя первой промежуточной частоты, выход третьего усилителя первой промежуточной частоты соединен с входом каскада термостабилизации, выход которого соединен с первым входом четвертого аттенюатора, выход четвертого аттенюатора соединен с входом третьего переключателя, второй выход которого соединен с входом четвертого усилителя первой промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом четвертого переключателя, первый выход четвертого переключателя соединен с входом третьего полосно-пропускающего фильтра, выход которого соединен с первым входом пятого переключателя, второй выход четвертого переключателя соединен с входом пятого аттенюатора, выход которого соединен со вторым входом пятого переключателя, выход которого соединен с первым входом второго смесителя частот, выход второго смесителя частот соединен с входом усилителя второй промежуточной частоты, при этом выходы делителя мощности соединены со вторым входом вторых смесителей частот всех приемных каналов, выходы схемы управления соединены со вторым входом первых переключателей, с третьим входом вторых переключателей, со вторым входом вторых аттенюаторов, со вторым входом третьих аттенюаторов, со вторым входом четвертых аттенюаторов, со вторым входом четвертых переключателей, с третьим входом пятых переключателей всех приемных каналов, а также с входом переключателя в составе делителя мощности, первый выход которого соединен с входом схемы делителя, а второй выход соединен с входом нагрузки, причем выходы умножителя, частоты соединены со вторым входом первых смесителей частот всех приемных каналов, при этом первый выход третьего переключателя каждого канала соединен с входами коммутатора.
Введение переключателя и согласованной нагрузки в схему делителя многоканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты позволяет обеспечить развязку сигнала второго гетеродина и полезного сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте. Включение в схему каскада термостабилизации позволяет обеспечивать стабилизацию параметров каждого канала при воздействии повышенной и пониженной температуры. Кроме того, смещение второго полосно-пропускающего фильтра в начало тракта позволяет повысить помехозащищенность каналов от внешних факторов и паразитных излучений.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется фигурами
Фиг.1 - Фиг.3, где:
Фиг.1 - структурная схема многоканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты;
Фиг.2 - структурная схема одного приемного канала;
Фиг.3 - сравнительная таблица параметров прототипа и заявляемого технического решения.
Заявляемый многоканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты (Фиг.1) содержит: делитель мощности 1, обеспечивающий формирование сигналов второго гетеродина для каждого приемного канала и состоящий из переключателя, схемы делителя и нагрузки; схему управления 2, обеспечивающую управление работой аттенюаторов и переключателей каждого приемного канала; умножитель частоты 3, обеспечивающий формирование сигналов первого гетеродина для каждого приемного канала; коммутатор 22, обеспечивающий развязку сигнала второго гетеродина и полезного сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте, а также n идентичных приемных каналов.
Причем каждый из n приемных каналов (Фиг.2) включает циклотронное защитное устройство (ЦЗУ) 4, на вход которого поступает внешний сигнал с антенного устройства, малошумящий усилитель (МШУ) 5, вход которого соединен с выходом циклотронного защитного устройства (ЦЗУ) 4, развязывающий вентиль 6, вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя (МШУ) 5, первый смеситель частот 7, первый вход которого соединен с выходом вентиля 6, а его второй вход соединен с одним из выходов умножителя частоты 3, первый полосно-пропускающий фильтр (ППФ) 8, вход которого соединен с выходом первого смесителя частот 7, первый усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ 1) 9, вход которого соединен с выходом первого полосно-пропускающего фильтра (ППФ) 8, первый переключатель 10, первый вход которого соединен с выходом первого усилителя первой промежуточной частоты (УПЧ 1) 9, а второй его вход соединен с выходом схемы управления 2, второй полосно-пропускающий фильтр (ППФ) 11, вход которого соединен с первым выходом первого переключателя 10, первый аттенюатор, вход которого соединен со вторым выходом первого переключателя 10, второй переключатель 13, первый вход которого соединен с выходом второго полосно-пропускающего фильтра (ППФ) 11, второй его вход соединен с выходом первого аттенюатора 12, а третий вход второго переключателя 13 соединен с выходом схемы управления 2, второй усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ 1) 14, вход которого соединен с выходом второго переключателя 13, второй аттенюатор 15, первый вход которого соединен с выходом второго усилителя первой промежуточной частоты (УПЧ 1) 14, а его второй вход соединен с выходом схемы управления 2, третий аттенюатор 16, первый вход которого соединен с выходом второго аттенюатора 15, а второй его вход соединен с выходом схемы управления 2, третий усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1) 17, вход которого соединен с выходом третьего аттенюатора 16, каскад термостабилизации 23, вход которого соединен с выходом третьего усилителя первой промежуточной частоты (УПЧ1) 17, четвертый аттенюатор 24, первый вход которого соединен с выходом каскада термостабилизации 23, а второй его вход соединен с выходом схемы управления 2, третий переключатель 25, вход которого соединен с выходом четвертого аттенюатора 24, а первый его выход соединен с входом коммутатора 22, четвертый усилитель первой промежуточной частоты (УПЧ1) 18, вход которого соединен со вторым выходом третьего переключателя 25, четвертый переключатель 26, первый вход которого соединен с выходом четвертого усилителя первой промежуточной частоты (УПЧ1) 18, а второй его вход соединен с выходом схемы управления 2, третий полосно-пропускающий фильтр (ППФ) 19, вход которого соединен с первым выходом четвертого переключателя 26, пятый аттенюатор 27, вход которого соединен со вторым выходом четвертого переключателя 26, пятый переключатель 28, первый вход которого соединен с выходом третьего полосно-пропускающего фильтра (ППФ) 19, второй его вход соединен с выходом пятого аттенюатора 27, а его третий вход соединен с выходом схемы управления 2, второй смеситель частот 20, первый вход которого соединен с выходом пятого переключателя 28, а второй его вход соединен с выходом делителя мощности 1, усилитель второй промежуточной частоты (УПЧ 2) 21, вход которого соединен с выходом второго смесителя частот 20.
На входе каждого приемного канала СВЧ приемника установлено ЦЗУ 4, работающее в режиме пропускания или в режиме защиты.
В режиме пропускания (при входном сигнале малой мощности) ЦЗУ 4 обеспечивает передачу сигнала без искажений и осуществляет предварительную фильтрацию входного сигнала, в том числе по зеркальному каналу первой промежуточной частоты.
В режиме защиты ЦЗУ 4 обеспечивает быстродействующую автоматическую защиту приемных каналов от воздействия мощных входных сигналов. Средняя предельно допустимая мощность входного сигнала достигает значения 250 Вт, а время восстановления чувствительности приемных каналов после воздействия сигнала максимальной мощности составляет не более 50 нс.
Во время работы передатчика РЛС бланкирующий аттенюатор (из состава МШУ), первый и второй цифровые аттенюаторы осуществляют бланкирование приемных каналов СВЧ приемника. Глубина подавления сигнала передатчика в каждом из приемных каналов не менее 120 дБ.
пч1
Первый 8, второй 11 и третий 19 полосно-пропускающие фильтры обеспечивают основную фильтрацию принятого сигнала на первой промежуточной частоте. Причем первый полосно-пропускающий фильтр 8 обеспечивает фильтрацию сигнала от паразитных спектральных составляющих на выходе первого смесителя частот 7 и формирует полосу сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте, а второй 11 и третий 19 полосно-пропускающие фильтры обеспечивают подавление побочных каналов приема. Подавление побочных каналов приема (при отстройке от f на ±42 МГц) в режиме «широкой полосы» составляет не менее 60 дБ, а подавление второго зеркального канала приема в режиме «узкой полосы» - не менее 80 дБ.
Усилители первой и второй промежуточной частоты обеспечивают усиление сигналов на соответствующей промежуточной частоте до требуемого уровня. При этом усилители первой промежуточной частоты обеспечивают развязку первого и второго аттенюаторов, второго и третьего полосно-пропускающих фильтров.
Коэффициент передачи приемных каналов по выходам сигналов на первой промежуточной частоте составляет 25 дБ, по выходам сигналов на второй промежуточной частоте 50 дБ.
Первый и второй цифровые аттенюаторы позволяют обеспечить ослабление сигнала на первой промежуточной частоте в диапазоне от 0 до 63 дБ с шагом 1±0,3 дБ.
Многоканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты обеспечивает выдачу на выходы сигналов на первой промежуточной частоте (полоса пропускания 300 МГц) и сигналов на второй промежуточной частоте (в режиме «широкой полосы» - полоса пропускания 32 МГц, в режиме «узкой полосы» - полоса пропускания 16 МГц) для последующего аналого-цифрового преобразования.
Работа заявляемого многоканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты осуществляется следующим образом.
Принимаемый антенной сигнал поступает на вход циклотронного защитного устройства (ЦЗУ) 4 (журнал «Электронная техника», серия СВЧ техника, выпуск 1 (481), 2003 г., стр.24-30). ЦЗУ 4 работает в режиме пропускания или в режиме защиты. В режиме пропускания (при входном сигнале малой мощности) ЦЗУ 4 обеспечивает передачу сигнала без искажений с малыми потерями, при этом осуществляется предварительная фильтрация входного сигнала, в том числе по первому зеркальному каналу.
В режиме защиты ЦЗУ 4 обеспечивает быстродействующую автоматическую защиту приемного канала от воздействия мощных входных сигналов. Если мощность входного сигнала превышает пороговый уровень, автоматически осуществляется развязка входа и выхода ЦЗУ 4.
гет1
пч1
С выхода ЦЗУ 4 сигнал поступает на вход МШУ 5, усиливается и через развязывающий вентиль 6 поступает на первый вход первого смесителя частот 7, в котором с помощью сигнала первого гетеродина f от умножителя частоты 3 преобразуется в сигнал на первой промежуточной частоте f данного приемного канала.
гет1
гет1
Формирование сигнала первого гетеродина f осуществляется умножителем частоты 3, на вход которого подается опорный сигнале с частотой (f/4).
пч1
Сигнал на первой промежуточной частоте f данного приемного канала с помощью первого ППФ 8, который является широкополосным фильтром, фильтруется от паразитных спектральных составляющих, усиливается первым УПЧ1 9.
пч1
пч1
гет2
пч2
Первый переключатель 10 и второй переключатель 13 по сигналам со схемы управления 2 обеспечивают работу приемного канала в режиме «широкой полосы» на второй промежуточной частоте, пропуская сигнал через второй ППФ 11, или в режиме сверхвысокого разрешения на первой; промежуточной частоте, пропуская сигнал через первый аттенюатор 12. Сигнал с выхода второго переключателя 13 поступает на вход второго УПЧ1 14. Далее усиленный сигнал направляется последовательно на второй аттенюатор 15 и третий аттенюатор 16, где регулируется по уровню с помощью сигналов от схемы управления и направляется на третий УПЧ1 17. После чего усиленный сигнал поступает на каскад термостабилизации 23, который позволяет сохранять коэффициент передачи постоянным в рабочем диапазоне температур. Далее сигнал поступает на четвертый аттенюатор 24, управляемый сигналами со схемы управления 2 и обеспечивающий возможность перестройки коэффициента передачи, и третий переключатель 25. По сигналам со схемы управления 2 сигнал с выхода третьего переключателя 25 поступает на выход приемника на частоте f или для дальнейшего усиления на четвертый УПЧ1 18. С выхода четвертого УПЧ1 18 усиленный сигнал через четвертый переключатель 26 поступает с одного выхода на третий ППФ 19, обужающий полосу пропускания и обеспечивающий режим работы «узкая полоса», а со второго выхода четвертого переключателя 26 сигнал поступает на пятый аттенюатор 27, регулируется по уровню и через пятый переключатель 28 подается на первой промежуточной частоте f на первый вход второго смесителя частот 20, в котором с помощью сигнала второго гетеродина f, поступающего с делителя мощности 1, преобразуется в сигнал на второй промежуточной частоте f данного приемного канала, который усиливается УПЧ2 21 и подается на выход устройства.
Поскольку все приемные каналы заявляемого СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты идентичны, то работа каждого из них осуществляется описанным выше образом.
Для подтверждения возможности реализации данного технического решения в соответствии с предложенной схемой был изготовлен опытный образец четырехканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты для бортовой РЛС Х-диапазона.
Данный СВЧ приемник осуществляет прием сигналов от фазированной антенной решетки РЛС в полосе частот 800 МГц по четырем каналам: суммарному, разностно-угломестному, разностно-азимутальному и компенсационному.
На входе каждого приемного канала СВЧ приемника установлено ЦЗУ 4, работающее в режиме пропускания или в режиме защиты.
В режиме пропускания (при входном сигнале малой мощности) ЦЗУ 4 обеспечивает передачу сигнала без искажений с потерями порядка 1 дБ и осуществляет предварительную фильтрацию входного сигнала. При этом подавление сигнала первого зеркального канала составляет не менее 60 дБ.
В режиме защиты ЦЗУ 4 обеспечивает быстродействующую автоматическую защиту приемных каналов от воздействия мощных входных сигналов. Средняя предельно допустимая мощность входного сигнала достигает значения 250 Вт, а время восстановления чувствительности приемных каналов после воздействия сигнала максимальной мощности составляет не более 50 нс. При этом обеспечивается работа СВЧ приемника в широкой полосе частот (до 800 МГц) с сохранением высокой чувствительности (коэффициент шума порядка 2,8 дБ).
Во время работы передатчика РЛС бланкирующий аттенюатор (из состава МШУ), второй 15 и третий 16 цифровые аттенюаторы осуществляют бланкирование приемных каналов СВЧ приемника. Глубина подавления сигнала передатчика в каждом из приемных каналов не менее 120 дБ.
пч1
Первый 8, второй 11 и третий 19 полосно-пропускающие фильтры обеспечивают основную фильтрацию принятого сигнала на первой промежуточной частоте. Причем первый полосно-пропускающий фильтр 8 обеспечивает фильтрацию сигнала от паразитных спектральных составляющих на выходе первого смесителя частот 7 и формирует полосу сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте, а второй 11 и третий 19 полосно-пропускающие фильтры обеспечивают подавление побочных каналов приема. Подавление побочных каналов приема (при отстройке от f на ±42 МГц) в режиме «широкой полосы» составляет не менее 60 дБ, а подавление второго зеркального канала приема в режиме «узкой полосы» - не менее 80 дБ.
Усилители первой и второй промежуточной частоты обеспечивают усиление сигналов на соответствующей промежуточной частоте до требуемого уровня.
Коэффициент передачи приемных каналов по выходам сигналов на первой промежуточной частоте составляет 25 дБ, по выходам сигналов на второй промежуточной частоте - 50 дБ.
Второй и третий цифровые аттенюаторы позволяют обеспечить ослабление сигнала на первой промежуточной частоте в диапазоне от 0 до 63 дБ с шагом 1±0,3 дБ.
Четырехканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты обеспечивает выдачу на выходы сигналов на первой промежуточной частоте (полоса пропускания 300 МГц) и сигналов на второй промежуточной частоте (в режиме «широкой полосы» - полоса пропускания 32 МГц, в режиме «узкой полосы» - полоса пропускания 16 МГц) для последующего аналого-цифрового преобразования.
Первый переключатель 10 и второй переключатель 13 по сигналам схемы управления 2 обеспечивают работу приемного канала в режиме «узкой полосы» или в режиме «широкой полосы». В режиме «узкой полосы» сигнал дополнительно фильтруется третьим ППФ 19, обужающим полосу пропускания. Последовательное подключение через четвертый УПЧ1 18 двух полоснопропускающих фильтров: фильтра «широкой полосы» 11 и фильтра «узкой полосы» 19 позволяет обеспечить требуемую полосу частот данного приемного канала в режиме «узкой полосы». В режиме «широкой полосы» сигнал ослабляется третьим аттенюатором 16 на величину затухания, вносимую третьим ППФ 19.
Повышение помехозащищенности от внешних факторов и паразитных излучений реализуется за счет установки в начало тракта преобразования и усиления полосно-пропускающего фильтра (второй ППФ), формирующего полосу пропускания «широкая полоса» и снижающего уровень внеполосного излучения, поступающего в тракт и повышающего избирательность приемного канала в целом. При этом установленные переключатели позволяют отключать данный фильтр с целью обеспечения формирования широкополосного сигнала при работе с выходным сигналом на первой промежуточной частоте.
г2
Введение в схему делителя переключателя, управляемого сигналами со схемы управления, позволяет исключить возможность проникновения сигнала второго гетеродина в полосу полезного сигнала при работе на первой промежуточной частоте. В данном режиме сигнал второго гетеродина подается на согласованную нагрузку и отключается от выходов делителя, обеспечивая развязку сигнала f с приемным каналом.
Установленный в середину приемного канала каскад термостабилизации состоит из комплекса активных элементов, обеспечивающих малое изменение коэффициента передачи (±2 дБ) во всем диапазоне рабочих температур. Введенный коммутатор 22 обеспечивает возможность переключения сигналов на первой промежуточной частоте с различных каналов на один выход.
Установленный в схему цифровой аттенюатор 24 обеспечивает возможность быстрого изменения коэффициента передачи для различных режимов работы СВЧ-приемника в составе РЛС.
Результаты, полученные при испытаниях опытного образца многоканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты, приведены в таблице Фиг.3, где отражены сравнительные параметры СВЧ приемника, взятого за прототип, и заявляемого многоканального СВЧ приемника с двойным преобразованием частоты. Сравнительный анализ полученных результатов позволяет сделать вывод о том, что заявляемый многоканальный СВЧ приемник с двойным преобразованием частоты имеет лучшую помехозащищенность каналов от внешних факторов и паразитных излучений; содержит каскад термостабилизации параметров, обеспечивает развязку сигнала при работе на первой промежуточной частоте и сигнала второго гетеродина; возможность коммутации сигналов на первой промежуточной частоте с различных каналов на один выход приемника, улучшение технических характеристик.