Сверхширокополосный автономный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в радиолокации, аппаратуре связи и телекоммуникаций.
В настоящее время с целью повышения информативности радиотехнических комплексов начинает развиваться новое направление в радиолокации, так называемая сверхширокополосная (СШП) радиолокация, основанная на применении сверхкоротких видеоимпульсов с длительностью импульса от долей нс до единиц нс.
Как известно, такой видеоимпульс имеет очень широкий (теоретически бесконечный) спектр частот, простирающийся от постоянного тока до бесконечности (Г.Б. Белоцерковский. «Основы радиотехники и антенны», ч. I, «Основы радиотехники», изд. «Сов. Радио», Москва, 1968, стр. 39-40). При этом 95% мощности сосредоточено в диапазоне, верхняя граничная частота которого определяется выражением
,
и
где τ - длительность импульса.
и
гр
Так, при длительности импульса τ=1 нс верхняя граничная частота спектра составляет 2 ГГц, а при длительности импульса 0,1 нс - 20 ГГц, при этом рабочая полоса частот в обоих случаях составляет 200%, так как средняя рабочая частота диапазона равна 0,5 f.
Для переключения антенны радиолокатора с режима передачи в режим приема используются традиционные конструкции антенных переключателей, основанные на применении свойств четвертьволновых и полуволновых отрезков линии передач. По этому принципу разрабатываются антенные переключатели как на базе газоразрядных, так и на базе полупроводниковых приборов (Ропий А.И., Старик A.M., Шутов К.К. «Сверхчастотные защитные устройства», изд. «Сов. радио», Москва, 1993, стр 10-11).
В полупроводниковых схемах таких антенных переключателей используются два управляемых диодных ключа, соединяющих каналы передачи и приема с антенной и обеспечивающих режимы передачи и приема сигнала.
Известен полупроводниковый антенный переключатель, в котором в канале передачи применен последовательно включенный в тракт диод, связанный с антенной, а в канале приема - параллельно включенный диод, связанный с антенной и расположенный на расстоянии четверти длины от точки соединения с антенной, при этом по постоянному току диоды включены последовательно и режим переключения антенны осуществляется с помощью внешнего управляющего сигнала, подаваемого на диоды (п. США №6586786, МПК Н01Р 1/15, опубликованный 01.07.2003 г.).
Недостатками такой конструкции являются узкая рабочая полоса (не более 10%), что связано с резонансными свойствами четвертьволнового отрезка линии передачи, и неавтономность работы, так как требуется управление для работы такого переключателя, причем управление должно быть синхронизировано с импульсом передатчика.
Известен широкополосный антенный переключатель, содержащий в канале передачи и в канале приема два встречновключенных управляемых p-i-n диода (P-I-N Diode Circuit Designers'Handbook, Microsemi-Watertown, 1999, p. 12). Данная схема позволяет получить более широкую рабочую полосу (более 10%) из-за отсутствия отрезка четвертьволновой линии, однако она не обеспечивает требуемую рабочую полосу (200%) в случае применения сверхкороткого (сверхширокополосного) видеоимпульса из-за сложности управления работой переключателя при сверхкороткой длительности видеоимульса.
Кроме того, этот переключатель не обеспечивает автономности работы, так как требуется управление для работы антенного переключателя, причем управляющие сигналы, подаваемые на диоды, должны быть жестко синхронизированы с импульсом передатчика, что практически очень сложно сделать при сверхкороткой длительности импульса.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является сверхширокополосный автономный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов, содержащий каналы передачи, приема, два быстродействующих встречновключенных диода, один из которых включен последовательно в канал приема, а другой включен последовательно в канал передачи, канал антенны, подключенный к точке соединения вышеупомянутых диодов, при этом электрические расстояния между каждым из указанных диодов и точкой соединения диодов с антенной меньше четверти дины волны, соответствующей верхней граничной частоте видеоимпульса, определяемой выражением
,
и
где τ - длительность импульса,
причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения (патент России на полезную модель №152895 от 27.05.2014 г., опубликован 20.06.2015 г., бюл. №17).
Недостатком такой конструкции при работе с очень короткими импульсами, порядка 0,1…0,2 нс и менее, является повышенный уровень потерь в режиме передачи и приема, что связано с использованием при столь малых длительностях диодов миллиметрового диапазона, обеспечивающих необходимое быстродействие, но обладающих при этом большим последовательным сопротивлением, величина которого возрастает с ростом частоты (что эквивалентно уменьшению длительности импульса).
Так, например, кремниевые диоды 2А553А-3 (справочник «Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды», под ред. Б.А. Наливайко. Изд. «МПП «Раско», Томск, 1992, стр. 130) в конструкции прототипа в режиме передачи при длительности импульса 2 нс обеспечивают потери 1 дБ, а при длительности импульса 0,2 нс - 2,5 дБ. Аналогично, арсенид-галлиевые диоды в канале приема в конструкции прототипа обеспечивают потери в режиме приема 1,5 дБ при длительности импульсов 2 нс и 4 дБ при длительности импульса 0,2 нс.
Что касается увеличения потерь антенного переключателя в режиме передачи, то этот недостаток может быть скомпенсирован увеличением мощности передатчика. Увеличение же потерь в режиме приема является принципиальным недостатком, так как не может быть скомпенсировано за пределами приемного канала антенного переключателя, что приведет к увеличению коэффициента шума приемника в целом.
Другим недостатком прототипа является необходимость применения постоянного напряжения питания для диода в канале приема.
Целью данной полезной модели является уменьшение потерь в режиме приема сверхширокополосного автономного антенного переключателя при одновременном обеспечении автономности работы без применения внешнего постоянного напряжения питания.
Поставленная цель достигается тем, что сверхширокополосный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов содержит канал передачи, канал приема, два быстродействующих включенных в эти каналы и соединенных между собой диода, канал антенны, подключенный к точке соединения указанных диодов, балластный резистор, включенный параллельно указанным диодам в точке их соединения с антенной, при этом электрические расстояния между каждым из указанных диодов и точкой соединения диодов с антенной и балластным резистором меньше четверти длины волны, соответствующей верхней граничной частоте видеоимпульса, определяемой выражением
,
и
где τ - длительность видеоимпульса,
причем диод в канале передачи включен последовательно, а диод в канале приема включен параллельно, а по постоянному току указанные диоды включены последовательно и не соединены с источником постоянного или управляющего напряжения.
На фиг. 1 приведена упрощенная электрическая схема СШП автономного антенного переключателя согласно предлагаемой полезной модели.
На фиг. 2 представлена упрощенная электрическая схема СШП автономного антенного переключателя с пониженной величиной потерь в режиме приема.
На фиг. 3 приведена универсальная электрическая схема антенного переключателя, предназначенного для работы как при положительной, так и при отрицательной полярности видеоимпульса.
На фиг. 4 (а, б, в) представлены эпюры напряжений, поясняющие работу предлагаемого антенного переключателя.
1
2
Антенный переключатель согласно предлагаемой модели содержит каналы передатчика, антенны, приемника, быстродействующие диоды Д и Д соответственно в каналах передатчика и приемника, электрически соединенные между собой, балластный резистор, подключенный к точке соединения упомянутых диодов с антенной, электрические расстояния от диодов до точки соединения диодов с антенной меньше четверти длины волны, соответствующей верхней граничной частоте видеоимпульса, при этом диод в канале передачи включен последовательно, а диод в канале приема - параллельно, а по постоянному току указанные диоды включены последовательно, причем указанные диоды не подключены к внешнему постоянному (или управляющему) напряжению.
1
2
Балластный резистор R служит для замыкания постоянной составляющей диода Д и для рассасывания заряда (тока) диода Д после окончания видеоимпульса. Величина этого резистора выбирается из условия минимизации потерь видеоимпульса, для этого его величина должна быть много больше волнового сопротивления тракта W.
В частности, для широко используемого микрополоскового тракта с W=50 Ом обычно выбирают R=500…1000 Ом.
Схема работает следующим образом.
1
1
1
2
Если выбрать диод Д достаточно быстродействующим, так чтобы он успевал включать и выключать антенну синхронно с импульсом передатчика, то в этом случае при подаче видеоимпульса положительной полярности от передатчика диод Д будет открываться и импульс передатчика будет проходить в антенну с незначительным ослаблением, определяемым потерями в проводящем диоде Д. Если выбрать диод Д быстродействующим, во время импульса передатчика он также откроется, создавая короткое замыкание в плоскости расположения диода, в результате чего происходит отражение видеоимпульса с изменением полярности на обратную. Далее отраженный видеоимпульс отрицательной полярности поступает в антенну, так как канал передатчика при этом уже закрыт.
2
1
2
2
Таким образом, импульс, поступающий в антенну (фиг. 4в), представляет собой наложение (сумму) импульсов - импульса, непосредственно поступающего от передатчика (показан на рис. 4а пунктиром) и отраженного от диода Д импульса (рис. 4б). При этом форма результирующего импульса (рис. 4в) будет сильно зависеть от электрического расстояния «» от точки соединения диодов Д и Д до плоскости включения диода Д в тракт приемника.
На рис. 4 показан идеальный случай, когда отраженный сигнал приходит с опозданием по времени на величину длительности импульса передатчика. В этом случае форма результирующего импульса является близкой к синусоидальной.
Реально время запаздывания отраженного сигнала относительно импульса передатчика меньше длительности импульса передатчика, в этом случае форма результирующего импульса лишь в первом приближении может считаться синусоидальной.
Трансформация однополярного импульса в синусоидальный является положительным фактором для работы антенны, позволяя повысить ее коэффициент полезного действия по сравнению с режимом однополярного видеоимпульса, при котором антенна не излучает постоянную составляющую спектра видеоимпульса.
2
Так как диод Д во время прохождения импульса передатчика в антенну находится в проводящем состоянии и включен параллельно входу приемника, то при этом автоматически обеспечивается защита приемника от импульса передатчика.
Таким образом, данная схема не требует синхронизации с передатчиком как во время передачи сигнала в антенну, так и во время приема сигнала из антенны, т.е. является автономной и не требует в отличие от прототипа применения внешнего постоянного напряжения.
Схема антенного переключателя, приведенная на фиг. 1, предназначена для работы при положительной полярности видеоимпульса. В случае отрицательной полярности видеоимпульса полярность включения диодов необходимо изменить на обратную.
Если требуется дополнительно уменьшить потери антенного переключателя в режиме приема, в канал приема следует включить пару из двух последовательно включенных диодов (фиг. 2), при этом выбором электрической длины «» от точки включения диодов до узла соединения диодов с антенной можно оптимизировать величину потерь в режиме приема, как правило, это требуется на высокочастотном краю диапазона приема.
1
1
1
2
3
Если в схеме, приведенной на фиг. 2, диод Д заменить на пару параллельных встречновключенных диодов Д и Д', а диоды Д и Д включить встречно, то схема становится универсальной, способной работать как при положительной, так и при отрицательной полярности видеоимпульса (фиг. 3).
Экспериментальная проверка предложенной конструкции была проведена на образцах антенного переключателя, выполненного по схеме, приведенной на фиг. 2.
1
В качестве диодов Д были применены серийные балочные p-i-n диоды 2А547А-3 с емкостью структуры 0,05 пФ, последовательным сопротивлением не более 1,5 Ом при токе 10 мА и обратным напряжением 100 В при токе 10 мкА.
2
3
В качестве диодов Д и Д были использованы арсенид-галлиевые p-i-n диоды с емкостью структуры 0,5 пФ, последовательным сопротивлением не более 1 Ом при токе 100 мА и обратным напряжением 300 В при токе 10 мкА.
Сопротивление R=1 кОм
При этом были получены следующие характеристики антенного переключателя:
- потери в режиме передачи сигнала в антенну - 2 дБ при амплитуде входного импульса 300…500 В,
- ослабление сигнала в канале приемника в режиме передачи сигнала в антенну - не менее 45 дБ,
- потери сигнала в режиме приема (при передаче сигнала из антенны в приемник) - 2,5 дБ.
Для сравнения в конструкции прототипа при применении тех же диодов были получены потери в режиме передачи 2 дБ, ослабление сигнала в канале приемника в режиме передачи сигнала в антенну 47 дБ, потери сигнала в режиме приема - 4,0 дБ.
Таким образом, выигрыш по величине потерь в режиме приема по сравнению с прототипом составляет 1,5 дБ, это соответствует уменьшению коэффициента шума приемника на 1,5 дБ, что очень существенно для аппаратуры в целом.
Испытания проводились при длительности видеоимпульса 0,2 нс, частоте следования импульсов 100 кГц и амплитуде видеоимпульсов 300…500 В.
Полученные результаты показывают работоспособность предложенной конструкции и ее перспективность в качестве антенного переключателя для сверхкоротких видеоимпульсов малой длительности порядка 0,2 нс и менее.
Особенно следует подчеркнуть, что в отличие от прототипа предложенная конструкция обеспечивает автономность работы без применения внешнего источника постоянного питания.