ДЕТЕКТОР СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в радиоприемных устройствах, работающих в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), для прямого детектирования широкополосного сигнала с переключающейся частотой.
Известен СВЧ дискриминатор, который может быть использован в устройствах автоматической подстройки частоты СВЧ генератора для расширения частотного диапазона неискаженных дискриминационных характеристик (см.патент на изобретение №2181923, М. кл. H03D 9/04, Н01Р 9/02, опубл. 27.04.2002 г.). Данный СВЧ дискриминатор содержит линию задержки, выполненную в виде микрополосковой линии передачи, и два детекторных диода, разность продетектированных напряжений с которых образует дискриминационную характеристику. На входе линии задержки расположены на расстоянии λ/4 (где λ - длина волны) друг от друга две полуволновые щелевые линии с параллельно подключенными через опорные конденсаторы детекторными диодами, причем щелевые линии расположены под углом 20-160° к полоску линии задержки.
При возбуждении линии задержки СВЧ сигналом со входа вдоль линии задержки распространяется электромагнитная волна и, отражаясь от ее конца, образует стоячую волну. При изменении частоты электромагнитной волны изменяется положение стоячей волны на входе линии задержки, и меняется амплитуда СВЧ сигнала в щелевых линиях, а также меняется величина продетектированного диодами напряжения.
Поскольку длина линии в данном дискриминаторе не определена, в нем трудно обеспечить необходимое быстродействие, так как интервал времени задержки, в течение которого происходит установление режима стоячей волны в сечениях линии с подключенными диодами, определяет максимальное быстродействие детектора (без учета инерционности амплитудного детектора). Длина отрезка линии передачи не должна быть слишком велика, чтобы после переключения частоты режим стоячей волны в данных сечениях устанавливался достаточно быстро. Расстояние от конца линии до сечения с детекторными диодами должно быть минимальным, чтобы обеспечить наименьшее время установления стоячей волны после изменения частоты. Кроме того, данный дискриминатор работает с плавно изменяющимся сигналом и не предназначен для работы с широкополосными
сигналами с быстро переключающейся частотой, т.к. его область применения связана с автоматической подстройкой частоты СВЧ генератора, что не предполагает резких перескоков частоты более чем на 1 ГГц за 1 нс.
Известен детектор (демодулятор), работающий в диапазоне СВЧ (см. Мейнке X., Гундлах Ф. «Радиотехнический справочник», т.2, М. Госэнергоиздат, 1962 г.), содержащий отрезок короткозамкнутой линии, длиной λ, к которой поступает СВЧ сигнал от источника. Слева и справа от узла напряжения несущей частоты (λ/2 от короткозамкнутого края линии) на расстоянии Δl, которое связано с девиацией частотно-модулированного сигнала, к линии подключены через соответствующий первый и второй конденсаторы анодами два диода, катоды которых объединены и подключены через третий конденсатор к источнику переменного напряжения, подключенному также другим выходом к концу отрезка линии, причем точка соединения катодов подключена также к точке соединения двух резисторов, каждый из которых включен параллельно соответствующему диоду таким образом, что другой конец резисторов подключен к точке соединения катода соответствующего диода с соответствующим первым или вторым конденсатором, при этом к этим точкам соединения одним концом подключены соответствующие катушки индуктивности, другой конец одной из которых заземлен, а на другом конце второй индуктивности выделяется продетектированная разность постоянных напряжений. В данном детекторе диоды включены по обе стороны от узла напряжения несущей частоты и выпрямляют поступающие от источника напряжения, обеспечивая на выходе разность постоянных напряжений.
Однако данный детектор не предназначен для работы с высокоскоростным цифровым сигналом с переключающейся частотой (Fast Frequency Shift Keying (FFSK), т.к. подключение детекторных диодов к линии через емкости не желательно, потому что при этом произойдет неминуемое увеличение постоянной времени заряда, а это негативно скажется на максимально возможной скорости принимаемого сигнала. Также для приема высокоскоростного FFSK сигнала лучше использовать режим холостого хода, при котором отрезок линии передачи получается меньше, а не короткое замыкание. Это условие сократит время задержки установления режима стоячей волны в линии.
Данный детектор СВЧ выбран за прототип.
Достигаемым результатом полезной модели является обеспечение возможности детектирования высокоскоростного широкополосного сигнала с переключающейся частотой.
Достижение указанного результата обеспечивается в детекторе СВЧ, содержащем отрезок линии передачи, два детекторных диода, конденсатор и два резистора, один конец каждого из которых связан с соответствующим детекторным диодом, а другие концы резисторов объединены,
отличающемся тем, что детекторные диоды подключены к линии передачи на расстоянии от ее разомкнутого конца, равном λ/4 для верхней и нижней частот полосы пропускания соответственно, причем левый диод подключен к ней анодом, а правый диод - катодом, при этом конденсатор включен между катодом левого диода и анодом правого диода параллельно соединенным между собой резисторам, точка соединения которых заземлена, а точка соединения катода левого диода, одной из обкладок конденсатора и другого конца одного из резисторов, а также точка соединения анода правого диода, другой обкладки конденсатора и другого конца второго резистора заземлены через соответствующий элемент развязки, при этом катод левого диода и анод правого диода подключены к соответствующим входам устройства формирования разностного сигнала, выход которого является выходом детектора, а отрезок линии передачи подключен к источнику сигнала через развязывающее устройство.
В предлагаемом детекторе СВЧ в качестве элементов развязки могут использоваться два дополнительных диода, причем первый дополнительный диод катодом подключен к катоду левого диода, а его анод заземлен, а второй дополнительный диод анодом подключен к аноду правого диода, а его катод заземлен.
Кроме того, в предлагаемом детекторе СВЧ устройство формирования разностного сигнала может быть выполнено в виде дифференциального усилителя.
В качестве развязывающего устройства в предлагаемом детекторе СВЧ может быть использован циркулятор.
Для того, чтобы левый и правый диоды не оказывали влияния на режим стоячей волны в линии передачи, они могут быть подключены к ней с помощью микрополосковых линий.
Подключение диодов к линии передачи напрямую, без использования конденсаторов позволяет уменьшить интервалы времени заряда и разряда. При этом время заряда имеющегося в данном детекторе конденсатора (конденсатора нагрузки) подбирается не менее чем на порядок меньше длительности процесса переключения режима стоячей волны в линии при переходе на новую частоту, а время разряда этого конденсатора - несколько меньше интервала времени между переключениями частот в FFSK сигнале.
Кроме того, подключение диодов на расстоянии λ/4 от разомкнутого конца линии передачи в узлах напряжений для верхней и нижней частоты и создание в линии режима холостого хода позволяет уменьшить расстояние от разомкнутого конца линии до точек подключения диодов, что уменьшает время установления в линии режима стоячей волны при переключении частот и обеспечивает наилучшее различение сигналов при приеме.
При этом встречное включение диодов: левого анодом к линии передачи, а правого - катодом обеспечивает высокое быстродействие при детектировании, т.к. при переходе через узел фаза стоячей волны меняется на
π, и при обычном включении диодов время детектирования снизится на половину периода СВЧ колебания.
Использование в качестве элементов развязки двух дополнительных диодов, которые замыкают на землю цепи зарядов для левого и правого диодов поочередно на верхней и нижней частотах, обеспечивает заряд и разряд конденсатора нагрузки при переключении частоты от линии с малым сопротивлением через малое сопротивление диодов. Это снимает необходимость снижения времени разряда конденсатора детектора в цепи нагрузки.
При этом, поскольку сопротивление нагрузки имеет в данном случае величину не менее 1000 Ом, то разряд конденсатора через это сопротивление между моментами переключения частот происходит достаточно медленно, и это создает постоянство напряжения в пределах импульса. Входное сопротивление детектора имеет величину того же порядка. Поэтому детектор не оказывает влияния на режим стоячей волны в линии передачи.
Использование в качестве развязывающего устройства циркулятора обеспечивает развязку источника сигнала и разомкнутой линии передачи и не дает отраженной электромагнитной волне вернуться в линию, а также обеспечивает минимальное время установления режима стоячей волны в линии и повышает максимально возможную скорость передачи детектируемого сигнала.
Схема предлагаемого детектора СВЧ приведена на чертеже, где показаны разомкнутый с одной стороны отрезок линии 1 передачи, который с другой стороны подключен через развязывающее устройство 2, в качестве которого может быть использован циркулятор (показан на чертеже), к источнику 3 сигнала. При использовании в качестве развязывающего устройства 2 циркулятора обеспечивается отсутствие повторных отражений в линии, минимальное время установления режима стоячей волны в ней и повышается скорость передачи детектируемого сигнала. К линии 1 передачи подключены два диода 4 и 5 таким образом, что левый диод 4 подключен к ней анодом, а правый диод 5 - катодом, причем они подключены к линии 1 передачи на расстоянии от ее разомкнутого конца, равном λ/4 для верхней и нижней частот полосы пропускания соответственно. При этом правый диод 5 оказывается в узле стоячей волны при низкой частоте, если холостой ход расположен слева, а левый диод 4 оказывается в узле стоячей волны на высокой частоте. На низкой частоте левый диод 4 находится в положительном электрическом поле, а на высокой частоте правый диод 5 - в отрицательном поле. К катоду левого диода 4 и аноду правого диода 5 подключены соответственно катодом дополнительный диод 6 и анодом дополнительный диод 7, замыкающие на землю цепи зарядов диодов 4 и 5, а между точками соединения диодов 4 и 6 и диодов 5 и 7 включен конденсатор 8, параллельно которому включены два резистора 9 и 10, точка соединения которых заземлена. Таким образом, нагрузка диодов 4 и 5 представляет собой параллельное соединение конденсатора 8 и резистора 9 или 10 в зависимости
2
1
от того, какая частота передается. К нагрузке подключаются два входа устройства 11 формирования разностного сигнала, в качестве которого может быть использован дифференциальный усилитель (показан на чертеже), на выходе которого выделяется исходная информационная импульсная последовательность. На чертеже также показаны эпюры распределения по длине z линии амплитуд электрического поля в стоячей волне в линии на высокой f и низкой f частотах. В узлах напряжений на расстоянии λ/4 от разомкнутого конца линии располагаются диоды 4 и 5.
Работа предлагаемого детектора СВЧ осуществляется следующим образом.
2
1
При поступлении от источника 3 сигнала верхней частоты f на вход развязывающего устройства 2 (циркулятора) последний обеспечивает отсутствие повторного отражения и быстрое установление режима стоячей волны в линии. При этом на диоде 4 будет нулевое напряжение, а на диоде 5 отрицательное. Ток заряда через диоды 5 и 6 обеспечивает быстрый заряд емкости нагрузки. Напряжение сохраняется неизменным до момента переключения частот за счет большого сопротивления нагрузки 9, через которое происходит медленный разряд. При переключении частоты на нижнюю f происходит разряд емкости нагрузки не за счет сопротивления нагрузки 9, а за счет заряда диода 4, что позволяет достигнуть высоких скоростей детектирования FFSK сигнала. При этом диод 4 будет находиться в положительном поле, а диод 5 в узле напряжения, заряд емкости нагрузки 8 будет происходить через диоды 4 и 7. В этом случае медленный разряд емкости нагрузки будет происходить через сопротивление нагрузки 10. Эти процессы повторяются при дальнейших переключениях частот. Сопротивления нагрузки 9 и 10 выполняют одинаковую функцию поддержания постоянного уровня напряжения емкости нагрузки на интервалах между переключениями частот. Появляющиеся на разных частотах на резисторах 9 и 10 разнополярные сигналы подаются на устройство формирования разностного сигнала 11.
Рассмотрим пример выполнения элементов детектора СВЧ.
Линия передачи представляет собой разомкнутую микрополосковую линию с волновым сопротивлением 50 Ом.
В качестве диодов 4, 5, 6 и 7 могут использоваться диоды типа 3А129 или их аналоги.
В качестве конденсатора нагрузки можно использовать таблеточные керамические СВЧ конденсаторы порядка 1-2 пФ.
В качестве резисторов нагрузки могут быть использованы СВЧ резисторы типа P1-1, P1-2 номиналом порядка 1000 Ом.
В качестве развязывающего устройства 2 могут быть использованы циркуляторы с рабочим диапазоном частот от 8 до 12 ГГц.
В качестве устройства 11 формирования разностного сигнала могут использоваться дифференциальные усилители на базе СВЧ транзисторов типа 2Т648А2 или их аналогов. Устройство 11 должно иметь малую входную емкость.