Блок антенных малошумящих усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов

Полезная модель относится к области радиосвязи, в частности к устройствам высокоэффективного линейного усиления широкополосных сигналов в широком динамическом диапазоне с использованием множества параллельных малошумящих усилительных каскадов и может быть использована в радиолокации на частотах KB диапазона, например, для исследования состояния ионосферы, с целью повышения точности оценки качества прохождения радиосигналов. Техническим результатом полезной модели является повышение функциональной устойчивости блока антенных усилителей при изменениях плана связи и повышение эффективности контроля функционирования как в условиях эксплуатации, так и при проведении регламентных работ. Полезная модель содержит малошумящие каскады линейного усиления, коаксиальные кабели, входные и выходные коаксиальные разъемы, источник питания, стабилизатор тока, оптроны с открытым оптическим каналом, оптоэлектронные реле, узел эквивалентных нагрузок и устройство индикации, с соответствующей структурой связей. Технический результат достигается за счет того, что в блоке антенных усилителей с помощью малошумящих оптоэлектронных элементов и узла эквивалентных нагрузок улучшено выполнение требований к электромагнитной совместимости каналов усиления. Это достигается за счет автоматического поддержания элементами оптоэлектроники (оптроны с открытым оптическим каналом и оптоэлектронные реле) и пассивных двухполюсников согласованных режимов работы усилительных каскадов во всех режимах работы блока антенных усилителей. При этом с помощью устройства индикации и средств вычислительной техники автоматизируется контроль каналов усиления и повышается его эффективность.

Полезная модель относится к области радиосвязи, в частности к устройствам высокоэффективного линейного усиления широкополосных сигналов в широком динамическом диапазоне с использованием множества параллельных усилительных каскадов и может быть использована в радиолокационных приемниках для приема сигналов на разнесенные антенны.

При приеме высокочастотных радиосигналов возникает проблема энергетических потерь в линиях связи, соединяющих приемные антенны с радиоприемниками. При достаточно больших длинах коаксиальных кабелей потери в них на высоких частотах могут достигать 20 дБ и более, а коаксиальные кабели с малыми потерями на высоких частотах имеют очень большую стоимость, поэтому результирующие характеристики радиоприемной аппаратуры резко ухудшаются.

Для компенсации затуханий радиосигналов в кабелях связи на практике используют антенные усилители.

Из теории усилительной техники известно [Цыкин Г.С. «Усилительные устройства». М.: «Связь», 1971 г., стр.30-40], что достижение высокого коэффициента усиления электрических сигналов в

широкой полосе частот, с одной стороны, и минимизация нелинейных искажений и шумов, вносимых усилительными элементами, с другой стороны, - противоречащие друг другу задачи. Очевидно, что разрешение этого противоречия возможно путем применения множества параллельных самостоятельных антенных усилительных каскадов, каждый из которых работает в более узкой полосе частот, при этом обеспечивая оптимальное соотношение между коэффициентом усиления и нелинейными искажениями и шумами.

Известен антенный контур для многополосной антенны [Патент US №5258728 «Antenna circuit for a multi-band antenna», H03H 7/446, H03H 7/38, Nov. 2, 1993], который содержит разветвленный фильтр, подключенный между антенной и устройством связи. Антенный контур использует различные полосы частот и частично подавляет помехи, возникающие между сигналами, переданными к устройству связи.

Недостатками такого устройства являются недостаточное подавление межканальных помех и недостаточная компенсация потерь между устройством связи (приемником) и антенной.

Известны также устройства для приема радиосигналов на разнесенные антенны

[«Радиоприемные устройства» - Под ред. Зюко А.Г., М.: «Связь», 1975 г, (рис.15.13, стр.388).,

«Устройство обнаружения широкополосных сигналов при разнесенном приеме», Патент RU №2031544 C1, H04B 7/04, Опубл. 20.03.95, Бюл. №8.,

«Устройство для приема широкополосных сигналов на разнесенные антенны». Патент RU №2189112 С2, H04B 1/06, H04B 7/04, опубл. 10.09.2002. Бюл №25].

Недостатком известных устройств является низкая помехозащищенность, обусловленная возможностью влияния каналов друг на друга за счет перекрестных помех, несмотря на наличие узкополосных

фильтров. Индивидуальное же экранирование усилительных каналов ухудшает массо-габаритные показатели антенных усилителей.

Известен блок антенных малошумящих усилителей, входящих в состав абонентской станции с дуплексным антенным усилителем [«Абонентская станция с дуплексным антенным усилителем». Патент RU №2164056 C1, H04B 1/38, H04L 5/14, Н03В 3/36, опубл. 10.03.2001. Бюл. №7], выбранный в качестве ближайшего аналога (прототипа), содержащий коаксиальные кабели, входные и выходные коаксиальные разъемы, имеющие блочную и кабельную части, источник питания, стабилизатор тока и малошумящие каскады линейного усиления, входы которых через коаксиальные кабели подключены к антенной системе, а выходы - через коаксиальные кабели к широкополосному приемнику радиосигналов.

В известном блоке каскады линейного усиления обладают низким коэффициентом шумов и достаточным коэффициентом усиления для того, чтобы компенсировать потери в коаксиальных кабелях. Антенные усилители блока имеют входные и выходные импедансы, совпадающие с высокой точностью с волновыми сопротивлениями коаксиальных кабелей, что обеспечивает высокую точность согласования источников сигналов и нагрузок. При согласованности импедансов нагрузок и волновых сопротивлений линий связи, количество каналов усиления в блоке антенных усилителей может быть достаточно большим и, при необходимости, достигать нескольких десятков. Но следует иметь ввиду, что незначительные (случайные или преднамеренные) рассогласования линий связи на концах, могут привести к значительным помехам и искажениям сигналов, что приведет, в свою очередь, к нарушению электромагнитной совместимости каналов усиления [Наумов Ю.Е. и др. «Помехоустойчивость устройств на интегральных логических схемах». М.: «Сов. радио», 1975, стр.189-209] и, как следствие, к снижению достоверности радиосвязи.

Одной из причин случайных рассогласований усилительных каскадов с нагрузками могут быть отказы коаксиальных разъемов или обрывы коаксиальных кабелей. Как правило, эта проблема успешно решается на этапе проектирования (используются высоконадежные элементы) и на этапе грамотной эксплуатации радиотехнических изделий.

Другая, и более важная причина рассогласования усилительных каскадов в блоке антенных усилителей, может появиться в результате преднамеренных действий оператора, когда в соответствии с планом связи, определяющим полосы частот, в которых должен осуществляться радиоприем, необходимо (до начала или в процессе работы широкополосного радиоприемника) произвести отключение ряда кабельных частей коаксиальных разъемов от соответствующих блочных частей выходных разъемов. Это будет соответствовать отключению ряда входов широкополосного приемника радиосигналов от блока антенных усилителей и, соответственно, от антенной системы. Такое отключение вызовет двукратное увеличение амплитуд сигналов на выходах каскадов усиления, отключенных от согласованных нагрузок (фактически, отключенные каскады усиления будут работать на холостом ходу). Это приведет к значительному увеличению уровня внутриблочных помех, которые существенно ухудшат шумовые характеристики рабочих усилительных каскадов, передающих сигналы от антенной системы к многоканальному приемнику радиосигналов, и исказят информационные сигналы. Борьба с такими помехами, нарушающими электромагнитную совместимость (ЭМС) усилительных каскадов антенных усилителей, представляет собой сложную техническую задачу в радиотехнических комплексах, работающих даже при крайне низких частотах (КНЧ) [«Антенный усилитель КНЧ диапазона». Патент RU №2265275 С2 H03F 3/34, H03F 3/20, H03F 3/181, опубл. 27.11.2005. Бюл. №33].

При работе же многоканальных антенных усилителей на высоких частотах эта задача усложняется многократно, вследствие чего снижается функциональная устойчивость усилительных каскадов.

Таким образом, недостатком известного блока антенных малошумящих усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов является его низкая функциональная устойчивость при коммутации выходов усилительных каскадов в соответствии с программой или планом связи (план приема радиосигналов в заданных полосах частот). Кроме того, при изменении плана связи в известном блоке затруднен контроль его функционирования, так как подключение для контроля каких-либо дополнительных электронных элементов к усилительным каскадам приводит к увеличению уровня шумов.

Целью полезной модели является повышение функциональной устойчивости блока антенных усилителей за счет автоматического управления, помощью элементов квантовой электроники, переключением выходов усилительных каскадов на соответствующие эквивалентные согласованные нагрузки при отключениях выходных кабельных разъемов, с сохранением при этом низкого уровня шумов всех других рабочих каналов усиления и обеспечением высокой эффективности визуального контроля функционирования блока, в том числе и с применением средств вычислительной техники.

Поставленная цель достигается тем, что в блок антенных малошумящих усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов, содержащий малошумящие каскады линейного усиления, коаксиальные кабели, входные и выходные коаксиальные разъемы, имеющие блочные и кабельные части, источник питания и стабилизатор тока, причем первый вход первого каскада усиления подключен к блочной части первого входного разъема, кабельная часть которого соединена коаксиальным кабелем с первым выводом антенной системы, выход первого каскада усиления подключен к блочной части первого выходного

разъема, кабельная часть которого соединена коаксиальным кабелем с первым входом приемника радиосигналов, второй вход первого каскада усиления подключен к выходу стабилизатора тока, введены оптроны с открытым оптическим каналом и оптоэлектронные реле, количество которых соответствует числу каскадов усиления, узел эквивалентных нагрузок и устройство индикации, причем источник питания подключен ко входу стабилизатора тока, выход которого объединен со вторыми входами остальных каскадов усиления, первые входы которых соединены соответственно с блочными частями остальных входных разъемов, кабельные части которых через коаксиальные кабели подключены соответственно к остальным выводам антенной системы, выходы остальных каскадов усиления соединены соответственно с блочными частями остальных выходных разъемов, кабельные части которых через коаксиальные кабели соединены соответственно с остальными входами приемника радиосигналов, выходы каждого каскада усиления через выходные цепи оптоэлектронных реле подключены соответственно к входам узла эквивалентных нагрузок, выходы которого соединены с соответствующими входами устройства индикации, входные цепи оптоэлектронных реле подключены соответственно к выходным цепям оптронов с открытым оптическим каналом, входные цепи которых соединены с выходом стабилизатора тока, при этом оптроны с открытым оптическим каналом установлены соответственно на блочных частях выходных коаксиальных разъемов, в которых проделаны сквозные отверстия, оси которых совпадают с оптическими осями открытых каналов оптронов.

Для достижения наилучших характеристик по уровню собственных шумов целесообразно, чтобы каждый малошумящий каскад линейного усиления выполнялся на неизбирательном интегральном усилителе мощности (например, микросхема MGA-86563 фирмы Hewlett-Packard) и содержал фильтры нижних и верхних частот, которые ограничивали бы

полосу пропускания усилителя мощности (в более узкой полосе частот легче добиться высокого коэффициента усиления и его линейности при малом уровне шумов).

Для наилучшего сопряжения полос пропускания каждого малошумящего каскада линейного усиления, обеспечивающих в сумме ширину полосы пропускания приемника радиосигналов, предпочтительно выполнять каждый каскад линейного усиления по схеме одного из типов активных фильтров: Баттерворта, Бесселя или Чебышева, поскольку эти активные фильтры существенно улучшают крутизну затухания частот вне полосы пропускания [Лачин В.И., Савелов Н.С. «Электроника». Учебное пособие. Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2001 (стр.242-248, рис.2.59, 2.60, 2.61, 2.62, 2.63)].

При построении узла эквивалентных нагрузок необходимо добиваться того, чтобы импеданс каждого пассивного двухполюсника с высокой точностью совпадал с выходным импедансом соответствующих каскадов линейного усиления и волновым сопротивлением коаксиальных кабелей, поскольку это создаст наилучшие условия для ЭМС каскадов усиления.

Для исключения влияния устройства индикации на параметры усилительных каскадов в тот момент времени, когда они отключены от (входов приемника радиосигналов, необходимо обеспечить минимальную электрическую связь пассивных двухполюсников с элементами устройства индикации (в том числе и развязку по постоянной составляющей), что целесообразно осуществлять с помощью разделительных конденсаторов.

Наличие в устройстве индикации многоэлементных индикаторов визуального отображения информации позволяет индицировать номер отключенного (в соответствии с планом связи) усилительного канала, при этом обеспечивается возможность «горячего» контроля параметров сигналов в этом канале, что позволяет давать объективную оценку готовности отключенных каналов для работы на приемник радиосигналов.

С целью автоматизации процессов контроля в блоке антенных усилителей, содержащих большое количество каналов усиления, целесообразно использование в качестве устройства индикации средств вычислительной техники, например, монитора ПЭВМ, информационный вход которой (в виде входного СОМ-порта) подключен к выходу многоканального мультиплексора, например 564КП2, на входы которого поступает информация из узла эквивалентных нагрузок.

С целью упрощения настроек и проведения регламентных работ блока, целесообразно использовать оптоэлектронные реле с нормально замкнутыми контактами (как это показано на чертеже), например КР293КП5 или КР293КП7, так как в этом случае для проверки блока не требуется дополнительных сигналов управления.

Для контроля состояний выходных коаксиальных разъемов (сочлененное или расчлененное состояния) могут использоваться оптроны с открытым оптическим каналом, как отражательного типа (как показано на чертеже), например HEDR-8000/8100, так и щелевого типа, например LTH-301 или TLP-801А. Применение оптронов щелевого типа в ряде случаев может обеспечить более высокую надежность контроля состояний разъемов, однако это требует некоторого усложнения конструкции блока, связанного с введением в конструкцию светонепроницаемых управляющих шторок, положение которых зависит от кабельных частей выходных коаксиальных разъемов.

Для оптронов отражательного типа также могут быть использованы шторки, но в этом случае они должны иметь достаточно высокий коэффициент отражения лучистой энергии, имеющий максимум в спектральной области излучателя оптрона.

Предлагаемая полезная модель представлена на чертеже.

Блок антенных малошумящих усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов содержит малошумящие каскады 1 ₁-1_n линейного усиления, входные коаксиальные кабели 2₁-2 _n,

выходные коаксиальные кабели 3 ₁-3_n, входные коаксиальные разъемы 4₁-4_n, выходные коаксиальные разъемы 5₁-5_n, блочные части 6₁-6_n входных коаксиальных разъемов, кабельные части 7₁ -7_n входных коаксиальных разъемов, блочные части 8₁-8_n выходных коаксиальных разъемов, кабельные части 9₁ -9_n выходных коаксиальных разъемов, источник 10 питания, стабилизатор 11 тока, антенную систему 12, имеющую выводы 12₁-12_n, приемник 13 радиосигналов, имеющий входы 13₁-13 _n, оптроны 14₁-14 _n с открытым оптическим каналом, оптоэлектронные реле 15 ₁-15_n, узел 16 эквивалентных нагрузок, устройство 17 индикации. В блочных частях 8₁ -8_n выходных коаксиальных разъемов имеются сквозные отверстия 18₁-18 _n, оси которых совпадают с оптическими осями открытых каналов оптронов 14₁-14_n. Каждый малошумящий каскад 1₁-1 _n линейного усиления содержит фильтры 19 ₁-19_n нижних частот и фильтры 20 ₁-20_n верхних частот, а также неизбирательные интегральные усилители 21₁-21 _n мощности.

Узел 16 эквивалентных нагрузок содержит пассивные двухполюсники 22₁-22 _n и разделительные конденсаторы 23₁ -23_n.

Устройство 17 индикации содержит мультиплексор 24 и ПЭВМ 25 с монитором.

Работа предлагаемого блока осуществляется следующим образом.

Если в соответствии с планом связи приемник 13 радиосигналов должен принимать весь спектр широкополосного сигнала, поступающего из антенной системы 12, части всех выходных коаксиальных разъемов 5 должны находиться в сочлененном состоянии. При этом через каждый усилительный каскад 1 из антенной системы 12 проходят и усиливаются сигналы в своей полосе частот. Через разъемы 5 и коаксиальные кабели 3 эти сигналы поступают на все входы 13₁-13 _n приемника 13 радиосигналов, в результате чего приемник 13 может обрабатывать весь спектр широкополосного сигнала.

Поскольку в этом режиме все части разъемов 5 сочленены, то во всех оптронах 14 с открытым оптическим каналом, излученные их светодиодами оптические сигналы, отразившись от стенок кабельных частей 9 выходных коаксиальных разъемов 5, возвращаются в фотоприемники оптронов 14, в результате чего на входы всех оптоэлектронных реле 15 от оптронов 14 поступают электрические сигналы, приводящие к размыканию контактов реле 15, поэтому все входы узла 16 эквивалентных нагрузок отключены от выходов малошумящих каскадов 1 усиления и не влияют на параметры сигналов, уходящих в приемник 13.

Если в соответствии с планом связи приемник 13 радиосигналов должен принимать и обрабатывать сигналы только в избранных полосах частот спектра широкополосного сигнала, то в сочлененном состоянии оставляют только те выходные коаксиальные разъемы 5, которые должны обеспечивать передачу в приемник 13 сигналов с выходов соответствующих усилительных каскадов 1. Остальные коаксиальные разъемы 5 расчленяют.

В оптронах 14, оказавшихся на расчлененных разъемах 5, отсутствуют условия для отражения оптических сигналов и возвращения их к фотоприемникам оптронов (поскольку отсутствуют стенки кабельных частей 9), поэтому на входах соответствующих оптоэлектронных реле 15 прекращается действие входных сигналов и эти оптоэлектронные реле переходят в нормально замкнутое состояние, подключая при этом выходы соответствующих каскадов 1 усиления к соответствующим входам узла 16 согласованных эквивалентных нагрузок.

Отключение выходов соответствующих каскадов 1 усиления от выходных коаксиальных кабелей 3 и автоматическое подключение их к соответствующим пассивным двухполюсникам 22 узла 16 эквивалентных согласованных нагрузок, исключает возможность рассогласованной работы любого каскада 1 усиления, что обеспечивает нормальную

электромагнитную обстановку внутри блока антенных усилителей и позволяет сохранять блоку высокую функциональную устойчивость при любых изменениях плана связи. Наличие стабилизатора 11 тока в еще большей степени способствует обеспечению ЭМС узлов блока.

Кроме того, отключение выходов блока антенных усилителей от входов приемника радиосигналов, автоматически «ставит» на контроль работу соответствующих каскадов усиления. При этом устройство индикации контролирует не только номер отключенного канала, но и параметры сигналов в этом канале.

Использование в устройстве индикации мультиплексора совместно с монитором ПЭВМ, позволяет одному оператору контролировать работу до сотен каналов одновременно, что также существенно упрощает проведение регламентных работ в условиях эксплуатации.

Экспериментальная проверка предложенного блока антенных малошумящих усилителей 64-х канального широкополосного приемника радиосигналов в жестких условиях эксплуатации полностью подтвердила достижение поставленных целей.

Следует отметить, что предложенный блок может быть выполнен с применением исключительно отечественной элементной базы и с использованием современных прогрессивных технологий.

Предложенный блок малошумящих антенных усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов выгодно отличается от аналогов и прототипа и особенно эффективно может быть использован в радиолокационной разведке на частотах KB диапазона.

1. Блок антенных малошумящих усилителей многоканального широкополосного приемника радиосигналов, содержащий малошумящие каскады линейного усиления, коаксиальные кабели, входные и выходные коаксиальные разъемы, имеющие блочные и кабельные части, источник питания и стабилизатор тока, причем первый вход первого каскада усиления подключен к блочной части первого входного разъема, кабельная часть которого соединена коаксиальным кабелем с первым выводом антенной системы, выход первого каскада усиления подключен к блочной части первого выходного разъема, кабельная часть которого соединена коаксиальным кабелем с первым входом приемника радиосигналов, второй вход первого каскада усиления подключен к выходу стабилизатора тока, отличающийся тем, что в него введены оптроны с открытым оптическим каналом и оптоэлектронные реле, количество которых соответствует числу каскадов усиления, узел эквивалентных нагрузок и устройство индикации, причем источник питания подключен ко входу стабилизатора тока, выход которого объединен со вторыми входами остальных каскадов усиления, первые входы которых соединены соответственно с блочными частями остальных входных разъемов, кабельные части которых через коаксиальные кабели подключены соответственно к остальным выводам антенной системы, выходы остальных каскадов усиления соединены соответственно с блочными частями остальных выходных разъемов, кабельные части которых через коаксиальные кабели соединены соответственно с остальными входами приемника радиосигналов, выходы каждого каскада усиления через выходные цепи оптоэлектронных реле подключены соответственно ко входам узла эквивалентных нагрузок, выходы которого соединены с соответствующими входами устройства индикации, входные цепи оптоэлектронных реле подключены соответственно к выходным цепям оптронов с открытым оптическим каналом, входные цепи которых соединены с выходом стабилизатора тока, при этом оптроны с открытым оптическим каналом установлены соответственно на блочных частях выходных коаксиальных разъемов, в которых проделаны сквозные отверстия, оси которых совпадают с оптическими осями открытых каналов оптронов.

2. Блок по п.1, отличающийся тем, что каждый малошумящий каскад линейного усиления содержит два частотных фильтра и неизбирательный интегральный усилитель мощности, вход которого через фильтр нижних частот соединен с первым входом каскада усиления, а выход интегрального усилителя через фильтр верхних частот соединен с выходом каскада усиления.

3. Блок по п.1, отличающийся тем, что каждый малошумящий каскад линейного усиления выполнен по схеме одного из типов полосового активного фильтра Баттерворта, Бесселя или Чебышева.

4. Блок по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что полосы пропускания каждого малошумящего каскада линейного усиления сопряжены между собой на частотной оси, а сумма частот, находящихся в полосах пропускания, соответствует ширине всей полосы пропускания широкополосного приемника радиосигналов.

5. Блок по п.1, отличающийся тем, что выходной импеданс каждого малошумящего каскада линейного усиления соответствует волновому сопротивлению коаксиального кабеля, подключаемого через соответствующие коаксиальные разъемы к выходу каскадов усиления.

6. Блок по п.1, отличающийся тем, что узел эквивалентных нагрузок содержит пассивные двухполюсники, количество которых соответствует числу каскадов усиления, при этом импеданс каждого двухполюсника соответствует выходному импедансу соответствующего каскада линейного усиления.

7. Блок по п.1 или 6, отличающийся тем, что узел эквивалентных нагрузок содержит разделительные конденсаторы, которые подключены соответственно между пассивными двухполюсниками и выходами узла эквивалентных нагрузок.

8. Блок по п.1, отличающийся тем, что устройство индикации содержит многоэлементные индикаторы визуального отображения информации, количество которых соответствует числу каскадов усиления, при этом каждый индикатор обеспечивает отображение номера канала, соответствующего номеру каскада усиления, и параметров сигналов в каждом канале.

9. Блок по п.1, отличающийся тем, что устройство индикации содержит мультиплексор и ПЭВМ, монитор которой является устройством визуального отображения информации, при этом входы мультиплексора соединены соответственно со входами устройства индикации, а выход мультиплексора подключен ко входу СОМ-порта ПЭВМ.

10. Блок по п.1, отличающийся тем, что все оптоэлектронные реле являются нормально замкнутыми.

11. Блок по п.1, отличающийся тем, что оптроны с открытым оптическим каналом являются оптронами отражательного типа.

12. Блок по п.1, отличающийся тем, что оптроны с открытым оптическим каналом являются оптронами щелевого типа.

13. Блок по п.1 или 11, отличающийся тем, что блочные части выходных коаксиальных разъемов содержат светоотражательные шторки, положение которых относительно оптических осей оптронов зависит от положения кабельных частей выходных разъемов.

14. Блок по п.13, отличающийся тем, что светоотражательные шторки выходных коаксиальных разъемов имеют максимальный коэффициент отражения в спектральной области, соответствующей спектру излучения светодиодов оптронов.

15. Блок по п.1 или 12, отличающийся тем, что выходные коаксиальные разъемы содержат светонепроницаемые шторки, положение которых относительно щелей оптронов зависит от положения кабельных частей выходных разъемов.