Высокостабильный приемник свч-сигналов с амплитудно и частотно-импульсной модуляцией

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к приемным устройствам информации, в частности в аналоговых и цифровых радиоканалах, и может быть использовано в аэрологических комплексах, например в радиозондах. Также может быть использовано в приемных устройствах аппаратуры связи. Технической задачей является снижение ГМХ и потребляемой энергии и повышение стабильности работы в условиях дестабилизирующих факторов: повышенного уровня естественных и искусственных помех, резких и больших перепадов температур, за счет:

- построения схемно-технического решения;

- применения специального конструктива совместимого с этим решением;

- низкой стоимости аппаратных средств;

- технологической прозрачности.

С этой целью предлагается высокостабильный приемник СВЧ-сигналов с амплитудно и частотно-импульсной модуляцией, содержащий приемную антенну, СВЧ-микрополосковый ступенчатый фильтр, управляемый малошумящий усилитель с микрополосковой линией на выходе, сверхрегенеративный детектор с микрополосковым резонатором на входе, фильтр низкой частоты и линейный видеоусилитель с АРУ, соединенные следующим образом: приемная антенна, которая является входом приемника, через входной микрополосковый резонатор соединена с малошумящим усилителем, выход которого через микрополосковую линию связи соединен с микрополосковым резонатором, образующим колебательный контур сверхрегенеративного детектора, выход которого через фильтр низкой частоты соединен с входом

видеоусилителя, АРУ которого соединена с управляющим входом малошумящего усилителя, а выход усилителя является низкочастотным выходом приемника, СВЧ-фильтр приемника выполнен на высокостабильных МПЛ по лестничной схеме, число ступенек выбирается из условий необходимой полосы пропускания, связь приемной антенны с СВЧ-фильтром осуществляется через МПЛ-связи и первый конденсатор связи, а связь СВЧ-фильтра с МШУ - через второй конденсатор связи, колебательный контур приемника сверхрегенеративного детектора выполнен на микрополосковом резонаторе на диэлектрической подложке, имеющую высокую относительную диэлектрическую проницаемость порядка 80-100 единиц, причем вход резонатора связан через третий конденсатор связи с микрополосковой линией выход малошумящего усилителя, а два выхода резонатора соединены следующим образом: первый - с базой СВЧ-транзистора сверхрегенеративного детектора, а второй - с его коллектором, МПЛ-резонатор выполнен на микрополосковой линии с геометрическими размерами, определяемыми: длина резонатора L берется равной длине волны рабочей частоты, ширина l не критична, отводы от L, идущие на базу и коллектор транзистора сверхрегенеративного детектора, лежат приблизительно в пределах одной четвертой длины L от каждого конца и выбираются из условий величины положительной обратной связи детектора и более точно устанавливаются (припаиваются) при наладке.

Полезная модель относится к радиотехнике, а именно к приемным устройствам информации, в частности в аналоговых и цифровых радиоканалах, и может быть использовано в аэрологических комплексах, например в радиозондах. Также может быть использовано в приемных устройствах аппаратуры связи.

Общими задачами, предъявляемыми к устройствам приема информации, являются: высокое быстродействие при минимальных искажениях принимаемой информации, малые габаритно-массовые характеристики (ГМХ), малое потребление энергии, высокая помехоустойчивость и в то же время малая стоимость. Но наиболее важной проблемой при конструировании радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), в том числе радиоприемных устройств в СВЧ, является получение высоких технических характеристик при воздействии различных дестабилизирующих факторов, как-то высоких уровнях помех, а главное - больших перепадов температур, при низких ГМХ приемных устройств естественно.

Известен приемник радиоблока, содержащий СВЧ-фильтр, малошумящий усилитель (МШУ), фильтр зеркального канала на диэлектрическом резонаторе, гетеродин, смеситель, УПЧ с АРУ, соединенные по классической схеме, см. «Микроволновые технологии в телекоммуникационных системах», Т.Н.Нарытник и др., Киев, Техника, 2000, стр.258.

Недостатком данного приемника является его схемная сложность (для получения достаточного коэффициента усиления) в силу построения по традиционной схеме, отсюда довольно высокие ГМХ при невысоких в общем технических. Его ГМХ увеличиваются также из-за того, что СВЧ-фильтры

диционной схеме, отсюда довольно высокие (ГМХ) при невысоких в общем технических. Его ГМХ увеличиваются также из-за того, что СВЧ-фильтры обычно выполняются на диэлектрических резонаторах, которые сами по себе имеют довольно большие габариты, но еще и требуют экранировки, т.к. создают помехи в виде электромагнитных полей.

Известны приемные устройства с транзисторным усилителем радиочастоты (УРЧ) до 8 ГГц, собранные по схеме с общим эммитером на микрополосковых линиях (МПЛ), на которых избирательные, соединительные и согласующие цепи выполнены на МПЛ, а согласование обеспечивается введением специальных согласующих отрезков. Для согласования комплексных сопротивлений и трансформации активных сопротивлений в МПЛ применяют их полуволновые и четвертьволновые отрезки, см. «Радиоприемные устройства», В.Д.Екимов и др., М, Связь, 1975, стр.292-293.

Недостатком данного устройства является его ограниченная верхняя рабочая частота, недостаточный коэффициент усиления, низкая температурная стабильность.

Также известен СВЧ-радиоприемник с высокоэкономичным и стабильным сверхгенеративным резонатором (СР) в диапазоне СВЧ, в котором СР выполнен на транзисторе, между базой и коллектором которого включен контур LC, зашунтированный (для быстрого затухания колебаний) резистором. Сигнал вводится из антенны в катушку связи Lсв, связанную с индуктивностью контура LC. Между эмиттером и коллектором транзистора включен накопительный конденсатор, заряжающийся от источника питания через резистор, а дроссель изолирует коллектор от этого конденсатора по ВЧ, см. "Сверхрегенераторы" под ред. М.К.Белкина, М, Р и С, 1983, стр.229-230, - ПРОТОТИП.

Недостатком данного СВЧ-радиоприемника является ограниченная частота суперизации, не более 1-2 МГц, в силу особенности построения электрической схемы, что не позволяет использовать преимущества более

высочастотного диапазона, например, с использованием МПЛ, последнее ведет к микроминиатюризации радиоаппаратуры, что особенно важно при жестких требованиях ГМХ и потреблению электроэнергии, также он обладает недостаточной помехоустойчивостью и стабильностью поддержания частоты при колебаниях температуры, особенно это касается аэрологических радиозондов, условия эксплуатации которых лежат в температурном диапазоне от минус 80 ВС до плюс 80 ВС.

Технической задачей является снижение ГМХ, потребляемой энергии и повышение стабильности работы в условиях дестабилизирующих факторов: повышенного уровня естественных и искуственных помех, резких и больших перепадов температур, за счет:

- построения схемно-технического решения;

- применения специального конструктива совместимого с этим решением;

- низкой стоимости аппаратных средств;

- технологической прозрачности.

Для решения поставленной задачи предлагается высокостабильный приемник СВЧ-сигналов, содержащий: приемную антенну, входной СВЧ-микрополосковый ступенчатый фильтр, малошумящий усилитель с микрополосковой линией на выходе, сверхрегенеративный детектор с микрополосковым резонатором на входе, фильтр низкой частоты и линейный видеоусилитель с АРУ, соединенные следующим образом: приемная антенна, которая является входом приемника, через входной микрополосковый резонатор соединена с малошумящим усилителем, выход которого через микрополосковую линию связи соединен с микрополосковым резонатором, образующим колебательный контур сверхрегенеративного детектора, выход которого через фильтр низкой частоты соединен с входом видеоусилителя, АРУ которого соединена с управляющим входом малошумящего усилителя, а выход видеоусилителя является низкочастотным выходом, приемника; СВЧ-фильтр

высокостабильного приемника выполнен на высокостабильных МПЛ по лестничной схеме, число ступенек которой выбирается из условий необходимой полосы пропускания, связь приемной антенны с СВЧ-фильтром осуществляется через МПЛ-связи и первый конденсатор связи, а связь СВЧ-фильтра с МШУ - через второй конденсатор связи, колебательный контур сверхрегенеративного детектора выполнен на микрополосковом резонаторе на диэлектрической подложке, имеющую высокую относительную диэлектрическую проницаемость порядка 80-100 единиц, причем вход резонатора связан через третий конденсатор связи с микрополосковой линией выхода малошумящего усилителя, а два выхода резонатора соединены следующим образом: первый - с базой СВЧ-транзистора сверхрегенеративного детектора, а второй - с его коллектором, МПЛ-резонатор выполнен на микрополосковой линии с геометрическими размерами, определяемыми: длина резонатора L берется равной длине волны рабочей частоты, ширина - не критична, отводы от L, идущие на базу и коллектор транзистора сверхрегенеративного детектора, лежат приблизительно в пределах одной четвертой длины L от каждого конца и выбираются из условий величины положительной обратной связи детектора и более точно устанавливаются (припаиваются) при наладке.

На фиг.1 изображена структурная схема высокостабильного приемника, на фиг.2 - принципиальная электрическая схема СВЧ-фильтра, сверхрегенеративного детектора и НЧ-фильтра, на фиг.3 и 4 - амплитудно-частотные характеристики сигналов с АИМ и ЧИМ, на фиг.5 - электрическая характеристика МПЛ-резонатора на диэлектрической подложке.

На чертежах изображено: 1 - СВЧ-фильтр (микрополосковый ступенчатый), 2 - малошумящий усилитель (МШУ), 3 - микрополосковый резонатор на диэлектрической подложке, 4 - сверхрегенеративный детектор, 5 - НЧ-фильтр, 6 - линейный видиоусилитель с АРУ, А-антенна; Сcв₁ - Ссв₃ конденсаторы связи, ВС МПЛ - высокостабильные микроподосковые линии, МПЛС 1 и МПЛС 2 - первая и вторая микрополосковые линии связи, Т -

высокочастотный транзистор, Др 1 и Др 2 - четвертьволновые микрополосковые дроссели, R и С - времязадающая цепь, Rф и Сф - фильтр НЧ. Приемная антенна А через МПЛС 1 и конденсатор Сcв ₁ соединена с лестничным СВЧ-фильтром, выход которого через конденсатор Ссв₂ соединен со входом МШУ 2, выход последнего через МПЛС 2 и конденсатор Ссв ₃. энергетически связан с МПЛ-резонатором 3, первый выход которого соединен с базой транзистора Т, а второй - с коллектором, эмиттер и коллектор транзистора Т через Др 1 и Др 2 соединены с Ов и средней точкой цепи RC соответственно, среднея точка времязадающей цепи RC соединена через ФНЧ 5 с ЛВУ 6, АРУ которого соединена с управляющим входом МШУ 2, а выход ЛВУ является НЧ-выходом приемника.

Указанные узлы и блоки могут быть выполнены: СВЧ-фильтр 1 и МПЛ-резонатор 3 на микрополосковых резонаторах, см. "Справочник по элементам полосковой техники", О.И.Мазепова и др., М, Связь, 1979, стр.262-271, МШУ 2 на ИМС типа MGA-86563, см. каталог фирмы Hewlett Packard "Communications Components Designers Catalog", 1998, p.6-220, ЛВУ 6 на высокоскоростном ОУ 140УД11, см. «Линейные интегральные схемы» В.Л.Шило, М, Сов. Радио, 1979, стр,155, рис.4.4, АРУ (ЛВУ 6) по схеме, см. «Радиоприемные устройства» под ред. Н.Н.Фомина, М, Р и С, 1996, стр.402-404, МПЛС 1 и МПЛС 2, Др 1 и Др 2 могут быть выполнены и расчитаны, см. "Справочник по элементам полосковой техники", М, Связь, 1979, стр.20-21, транзистор Т может быть взят 2Т 3115А, см. Справочник "Новые транзистры", ч.2, М, СОЛОН, 1996, стр.39, конденсатор С времязадающей цепи СРД 4 желательно выбирать с положительной ТКЕ для температурной компенсации всего СРД, конденсаторы связи Сcв₁ - Ссв₃ выбираются величиной 0,5 пФ любого типа минимальных габаритов, особые требования к остальным радиоэлементам не предъявляются.

Высокостабильный приемник работает следующим образом. Входной СВЧ-фильтр 1 выполнен на параллельно связанных несимметричных

микрополосковых резонаторах длиной /2, реализованных на подложке из высокостабильного по температуре и с низкими электрическими потерями материала, с высоким значением относительной диэлектрической проницаемостью (=80-100). Количество резонаторов определяется требуемой полосой пропускания: чес уже полоса, тем большее количество резонаторов. Отфильтрованный сигнал поступает на МШУ 2, предназначенный для компенсации потерь в СВЧ-фильтре 1, увеличения отношения сигнал/шум всего приемника, предотвращения проникновения паразитного излучения радиочастоты СРД 4 в приемную антенну А, развязки входного СВЧ-фильтра от СРД 4 для создания оптимального для приема сигналов некогерентного режима работы сверхрегенератора. Также МШУ 2 служит для регулировки коэффициента передачи всего тракта приемника по цепи АРУ.

Колебательный контур СРД 4 выполнен на микрополосковом резонаторе 3, настроенного на частоту приема (определяется геометрическими размерами резонатора). Резонатор выполнен на диэлектрической подложке также с очень высокой относительной диэлектрической проницаемостью(=80-100), что значительно уменьшает уход частоты в условиях колебаний окружающей температуры, на 1-1,5 порядка по сравнению с LC-резонатором.

Далее МПЛ-резонатор (его выводы) включаются между базой и коллектором транзистора Т, что резко уменьшает влияние реактивных емкостей транзистора опять же при изменении температуры на первоначальную настройку СРД (на стабильность АЧХ).

Собственно СРД 4 производит усиление и перенос модулированного сигнала на частоту автосуперизации, где затем из него выделяется полезная информация. Работа СРД 4 происходит следующим образом, см. фиг.2. СРД 4 реализован на активном полупроводниковом элементе Т (например, на транзисторе СВЧ) и (МПЛ-резонаторе 3), создающем колебательный контур, настроенный на частоту входного сигнала. Для получения режима

прерывистой генерации коллектор транзистора Т через Др 1, выполненный на МПЛ, подключен к источнику питания через инерционную времязадающую RC-цепь. Величина постоянной времени RC определяет период автосуперизации Тс. Постоянная времени цепи RC должна быть больше постоянной времени колебательного контура СРД 4 в силу принципа суперизации. Др 1 служит для предотвращения попадания СВЧ колебаний в цепь питания. Др 2 предназначен для уменьшения влияния на СРД 4 внешних электромагнитных полей. Выходными сигналами СРД 4 являются импульсы генерации (автосуперизации), промодулированные по частоте передаваемым сообщением. При последующей обработке импульсов суперизации ФНЧ 5 выделяют AM или ЧМ сигналы.

Работа СРД 4 может происходить в двух режимах: режим обработки АМ-сигналов и режим - ЧМ-сигналов.

Режим обработки АМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 4 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на максимуме АЧХ (см. фиг.3), информация при этом извлекается из изменения частоты суперизации относительно изменения амплитуды входного сигнала.

Режим обработки ЧМ-сигналов. В этом режиме контур СРД 4 настраивается т.о., чтобы несущая частота входного СВЧ сигнала располагалась на боковой стороне АЧХ (см. фиг.4),информация при этом извлекается из изменения частоты относительно f_нес в ту или другую сторону.

В обоих режимах изменение частоты несущего колебания по закону модуляции вызывает соответствующее изменение уровня входной мощности на СРД 4. Это приводит к изменению частоты огибающих вспышек генерации СВЧ в СРД 4 по закону модуляции, заложенному во входном сигнале. После обработки сигнала в ФНЧ 5 (можно использовать также частотный детектор на расстроенных контурах) получается цифровая информационная последовательность.

Такое построение электрической схемы приемника с использованием высокостабильных МПЛ-резонаторов позволяет конструировать собственно приемное устройство без разделительных экранирующих стенок за счет того, что концентрация электромагнитного поля сигнала внутри без выхода наружу (между металлическими обкладками) МПЛ-резонаторов снимает эту проблему и обеспечивает создание плоской интегральной конструкции приемного устройства AM и ЧМ сигналов СВЧ, что значительно снижает массо- габаритные характеристики. Кроме того, подобное построение приемника с использованием применением указанных возможных ИМС с низкими напряжениями питания до плюс 3 V, а следовательно и низкомалыми токами потребления и с указанными выше сверхстабильными температурными характеристиками, позволяет получить приемник:

- с высокими техническими характеристиками;

- С низким уровнем потребляемой мощности;

- незначительных геометрических размеров;

- незначительными весовыми характеристиками;

- низкой стоимости аппаратных средств.

1. Высокостабильный приемник СВЧ-сигналов с амплитудно- и частотно-импульсной модуляцией, содержащий приемную антенну, СВЧ-микрополосковый ступенчатый фильтр, управляемый малошумящий усилитель с микрополосковой линией на выходе, сверхрегенеративный детектор с микрополосковым резонатором на входе, фильтр низкой частоты и линейный видеоусилитель с АРУ, соединенные следующим образом: приемная антенна, которая является входом приемника, через входной микрополосковый резонатор соединена с малошумящим усилителем, выход которого через микрополосковую линию связи соединен с микрополосковым резонатором, образующим колебательный контур сверхрегенеративного детектора, выход которого через фильтр низкой частоты соединен с входом видеоусилителя, АРУ которого соединена с управляющим входом малошумящего усилителя, а выход видеоусилителя является низкочастотным выходом приемника.

2. Высокостабильный приемник по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-фильтр выполнен на высокостабильных МПЛ по лестничной схеме, число ступенек выбирается из условий необходимой полосы пропускания, связь приемной антенны с СВЧ-фильтром осуществляется через МПЛ-связи и первый конденсатор связи, а связь СВЧ-фильтра с МШУ - через второй конденсатор связи.

3. Высокостабильный приемник по п.1, отличающийся тем, что колебательный контур сверхрегенеративного детектора выполнен на микрополосковом резонаторе на диэлектрической подложке, имеющей высокую относительную диэлектрическую проницаемость порядка 80-100 единиц, причем вход резонатора связан через третий конденсатор связи с микрополосковой линией выхода малошумящего усилителя, а два выхода резонатора соединены следующим образом: первый - с базой СВЧ-транзистора сверхрегенеративного детектора, а второй - с его коллектором.

4. Высокостабильный приемник по пп.1 и 3, отличающийся тем, что МПЛ-резонатор выполнен на микрополосковой линии с геометрическими размерами, определяемыми: длина резонатора L берется равной половине длине волны рабочей частоты, ширина равна приблизительно 0,5L, отводы от L, идущие на базу и коллектор транзистора сверхрегенеративного детектора, лежат приблизительно в пределах одной четвертой длины L от каждого конца и выбираются из условий величины положительной обратной связи детектора и более точно устанавливаются (припаиваются) при наладке.