Сверхширокополосный автономный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в радиолокации, аппаратуре связи и телекоммуникаций.

Полезная модель направлена на расширение рабочей полосы антенного переключателя практически до 200%, т.е. до теоретически возможного значения, и обеспечение автономной работы переключателя без использования синхронизации с импульсом передатчика.

Указанный технический результат достигается тем, что сверхширокополосный автономный антенный переключатель содержит в канале передачи и в канале приема два встречновключенных диода, каждый из которых включен последовательно, канал антенны, подключенный к точке соединения вышеупомянутых диодов, балластный резистор, включенный параллельно вышеупомянутым диодам в точке их соединения, 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(где _и - длительность видеоимпульса), при этом все вышеупомянутые диоды быстродействующие, причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения.

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 не до единиц не.

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

,

где _и - длительность импульса.

Так, при длительности импульса _и=1 не верхняя граничная частота спектра составляет 2 ГГц, а при длительности импульса 0,1 не - 20 ГГц, при этом рабочая полоса частот в обоих случаях составляет 200%, так как средняя рабочая частота диапазона равна 0,5 f_гр.

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 H01P 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.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели (прототипом) является 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 свехкороткой 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.

Целью данной полезной модели является расширение рабочей полосы частот полупроводникового антенного переключателя (практически до 200%) при одновременном обеспечении автономности работы (без подачи управления, синхронизированного с импульсом передатчика).

Поставленная цель достигается тем, что сверхширокополосный автономный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов содержит каналы передачи, приема, два встречновключенных диода, каждый из которых включен последовательно в каналы приема и 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 длины волны, соответствующий верхней граничной частоте видеоимпульса, определяемой выражением

где _и - длительность импульса,

причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения.

Предлагаемое устройство поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена упрошенная электрическая схема сверхширокополосного автономного антенного переключателя. На фиг. 2 представлена упрощенная электрическая схема сверхширокополосного автономного антенного переключателя с повышенной величиной ослабления между каналами передатчика и приемника. На фиг. 3 представлена универсальная электрическая схема сверхширокополосного автономного антенного переключателя, работающего при положительной и отрицательной полярности видеоимпульсов.

Антенный переключатель согласно предлагаемой полезной модели содержит каналы передатчика, антенны, приемника, диоды Д₁ и Д₂ в каналах передатчика и приемника, при этом электрические расстояния от диодов Д₁ и Д ₂ до точки соединения диодов с антенной меньше четверти длины волны, соответствующей верхней граничной частоте видеоимпульса, и только диод Д₂ в канале приема соединен с источником смещения (фиг. 1).

Фильтр C_фR_ф служит для подачи напряжения смещения +U_см на диод Д₂, балластный резистор R необходим для замыкания постоянного тока диода Д₂ и постоянной составляющей тока диода Д₁ Сопротивления R и R_ф выбираются из условия минимизации потерь проходящего сигнала, для этого их величина должны быть много больше волнового сопротивления тракта W.

В частности, для широко используемого микрополоскового тракта с W=50 Ом обычно выбирают R и R_ф величиной 5001000 Ом. Емкость C_ф является фильтрующей по цепи смещения.

Схема работает следующим образом.

От источника постоянного напряжения через фильтр R_фC_ф подается положительное смещение +U _см на диод Д₂, переводящее диод Д₂ в проводящее состояние (ток диода замыкается через резистор R), благодаря чему канал приема открыт.

При подаче видеоимпульса положительной полярности от передатчика диод Д ₁ открывается и импульс проходит в антенну с незначительным ослаблением, определяемым потерями в проводящем диоде Д₁ . Если выбрать диод Д₁ достаточно быстродействующим так, чтобы он успевал включать и выключать антенну синхронно с импульсом передатчика, то в этом случае в режиме передачи напряжение передатчика в обратной полярности будет приложено к диоду Д ₂, обеспечивая рассасывание заряда диода Д₂, в результате чего диод Д₂ во время импульса передатчика перейдет в непроводящее состояние, обеспечивая защиту приемника.

Таким образом, данная схема не требует синхронизации с передатчиком как во время передачи сигнала в антенну, так и во время приема сигнала антенной, т.е. является автономной.

Следует отметить, что так как плоскость разрыва каналов передатчика и приемника во время работы переключателя расположена в точке соединения каналов передатчика и приемника, т.е. в одной и той же плоскости для всех частот спектра импульса, то это расширяет рабочую полосу, сохраняя исходные фазовые соотношения между всеми частотами спектра видеоимпульса, что дает возможность сохранять импульс передатчика и принимаемый видеоимпульс без искажения формы, что очень важно. Фактически это означает расширение рабочей полосы практически до 200%.

Схема антенного переключателя, приведенная на фиг. 1, предназначена для работы при положительном импульсе передатчика. В случае отрицательного видеоимпульса полярность включения диодов и полярность напряжения смещения необходимо изменить на обратную.

Если требуется дополнительно ослабить связь в режиме передачи между каналами передатчика и приемника, в канал приемника следует включить два диода, электрическое расстояние «l» между которыми выбирается исходя из необходимости увеличения ослабления в требуемом участке рабочего диапазона (или спектра сигнала), как правило, это требуется на высокочастотном краю диапазона (фиг. 2).

Если в схеме, приведенной на фиг. 2, диод Д₁ заменить на пару параллельных встречновключенных диодов и , а диоды Д₂ и Д₃ включить встречно, добавив в схему разделительную емкость C_p и резисторы R в цепи каждого из диодов для замыкания постоянной составляющей тока диодов Д₂ и Д₃, 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.

В качестве диодов Д₁ были применены серийные балочные p-i-n диоды 2А553А-3 с емкостью структуры 0,02 пФ, последовательным сопротивлением не более 2 Ом при токе 100 мА и обратным напряжением 150 В при токе 10 мкА.

В качестве диодов Д₂ и Д₃ 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 550 В при токе 10 мкА.

Напряжение источника смещения для диодов Д₂ и Д₃ составляло 28 В при токе потребления не более 20 мА.

Сопротивление R_ф=R=1 кОм

Величина емкости C_ф =1000 пФ.

При этом были получены следующие электрические характеристики антенного переключателя:

- потери в режиме передачи сигнала в антенну - 1 дБ при амплитуде входного импульса 5001000 В,

- ослабление сигнала в канале приемника в режиме передачи сигнала в антенну - не менее 55 дБ,

- потери сигнала в режиме приема (при передаче сигнала из антенны в приемник) - 1,5 дБ.

Испытания проводились при длительности видеоимпульса 2 нс, частоте следования импульсов 1100 кГц и амплитуде видеоимпульсов 5001000 В.

Полученные результаты показывают работоспособность предложенной конструкции и ее перспективность в качестве антенного переключателя для сверхкоротких видеоимпульсов.

Особенно следует подчеркнуть автономность работы предложенной конструкции, что значительно повышает надежность работы переключателя и аппаратуры в целом за счет исключения синхронизации режима работы переключателя с передатчиком.

Сверхширокополосный автономный антенный переключатель для коротких видеоимпульсов, содержащий канал передачи, канал приема, два встречновключенных диода, каждый из которых включен последовательно в каналы приема и передачи, канал антенны, подключенный к точке соединения вышеупомянутых диодов, балластный резистор, включенный параллельно упомянутым диодам в точке их соединения, отличающийся тем, что 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(где _и - длительность видеоимпульса), при этом все вышеупомянутые диоды быстродействующие, причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения.

РИСУНКИ