§ 6.2. Принципы построения и функциональные схемы свч-модулей

Современные приемные СВЧ-мо дули построены, как правило, по су пергетеродинной схеме с однократньн преобразованием частоты. Однако дл5 ряда применений, где не предъявляет ся высоких требований к чувстви тельности и избирательности модул! (контроль радиооблучения, опознава ние, анализ электромагнитной обета новки для решения задач ЭМС и др.) модули выполняют по схеме приемни ка прямого усиления.

В зависимости от назначения ра диосистемы, диапазона частот, коли чества выполняемых функций прием ные СВЧ-модули имеют различны функциональные схемы. Рассмотри! некоторые из них.

На рис. 6.1, а приведена функцио нальная схема приемного СВЧ-моду ля многоцелевого назначения, в сс став которого входят приемная ан тенна (вибратор, рупор, щель и т.д.) СВЧ-фильтр, устройство защиты (or раничитель, выключатель), MIIIJ (параметрический, транзисторный) смеситель (диодный, транзисторный]

УПЧ. Такой модуль выполняет функции линейной части приемного тракта многоканальной РЛС, связной радиостанции, станции радиорелейной линии связи и др.

Функциональные схемы приемных СВЧ-модулей, в состав которых входит параметрический усилитель (ПУ), могут иметь особенности, обусловленные построением генератора накачки и гетеродина. Например, в целях повышения экономичности, снижения габаритов и массы колебания гетеродина и генератора накачки формируют от одного общего генератора (рис. 6.1, б).

Для обеспечения требуемых показателей качества приемного модуля необходимо, чтобы отдельные его узлы имели определенные значения коэффициентов усиления и шума, динамического диапазона, полос пропускания. Не останавливаясь здесь на рекомендациях относительно распределения усиления по узлам, расчета полос пропускания, которые подробно излагаются в пособиях по проектированию радиоприемных устройств [31 ], покажем, как можно оптимально удовлетворить требованиям к динамическому диапазону.

Воспользовавшись известными результатами из теории усилителей, запишем выражение для динамического диапазона модуля:

^где Д_г, K_mi — динамический диапазон и коэффициент шума i-ro узла; К_т — коэффициент шума модуля; Kph — коэффициент усиления по мощности k-ro узла в линейном режиме; п — число нелинейных узлов.

Доказано, что линейная часть приемника будет оптимальной по энергопотреблению, если динамические ди-

апазоны ее узлов оптимально согла-/ сованы, т. е. если ни в одном из них нет запаса по максимальной мощности. Для этого случая из (6.1) можно получить

(6.2)

а из (6.2) окончательно следует Д].= п]Х_мК_ш/К_Ш1,

JXt+i = JXiKpi K_mt/Km а+\)- (6-3)

Применим полученные соотношения к приемному модулю многоцелевого назначения (см. рис. 6.1, а). Пусть заданы верхняя граница линейности амплитудной характеристики модуля Р_тах — Ю мкВт, шумовая полоса П_ш = 16 МГц, коэффициент различимости Д = 1 и значения параметров узлов: Ln<j> = Кпф = = 0,6 дБ, L₀rp — 0,5 дБ, /Срмшу = == 17 дБ, А^шмшу = 2,5 дБ, Кр _См⁼ = — 7 дБ (диодный смеситель), ^Сшсм = 8 дБ, Кр упч = 15 дБ, /(шупч = 3 дБ.

Рассчитав К_ш ^п0 формуле (2.56) для каскадного соединения четырехполюсников:

определим динамический диапазон модуля:

Отнеся индексы i = 1,2,3 соответственно к МШУ, смесителю и

УПЧ (ограничитель ДЛЯ ^щах =

= 10 мкВт считаем линейным и поэтому не учитываем), из (6.3) находим: Дмшу - 84,4 дБ, Д_см - 96 дБ, Дупч = 94 дБ. Зная Д, и К mi. находим значение максимальной мощности на входе каждого узла по соот-

ношению Рщахг = ilf kl о П_тЛ_ш<Д-

При эгон имеем: Р_тяхмшу ~ 31 мкВт,

^тяхгм^ЬбмВт, рщахупч-=316мкВт.

Как видно из этих данных,

Рmaxfi + i) PmaxiKpi, Т. е. ни в

одном из узлов нет значительного запаса по максимальной мощности.

Продолжим рассмотрение функциональных схем приемных СВЧ-модулей. В спектроанализаторах, системах радиоконтроля используются перестраиваемые по частоте приемные СВЧ-модули. Чаще реализуется электрическая (с помощью варикапов) или магнитная (с помощью резонаторов на железоиттриевых гранатах — — ЖИГ) перестройка, реже — перестройка путем изменения питания модулей. Функциональная схема одного из таких модулей приведена на рис. 6.2. Перестройка осуществляется с помощью резонаторов на ЖИГ, которые включены во входную цепь, на вход смесителя, в гетеродин. Как известно, резонансная частота резонатора на ЖИГ, выполненного в форме сферы, линейно зависит от напряженности внешнего магнитного поля: /о(МГц) = 0,035Я (Мм). Практически магнитное поле изменяется путем изменения тока в электромагните, между полюсными наконечниками которого размещается резонатор на ЖИГ. Напряженность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, пропорциональна току, поэтому достаточно просто реализуется сопряженная перестройка резонатора гетеродина с резонаторами во входной цепи и на входе смесителя. Диапазон перестройки может достигать несколько октав, однако скорость перестройки сравнительно невелика (1—2 ГГц/мс), что объясняется значительной индуктивностью катушки электромагнита.

В приемопередающих модулях для приема и передачи обычно используется одна антенна. В этом случае приемная часть модуля подключается к антенне через переключатель «прием —■ передача» при импульсном режиме работы, непосредственно или через циркулятор при непрерывном

Рис. 6.2

режиме, через фильтры (часто в тании с циркулятором) при ра: частот приема и передачи. Типи¹ пример непрерывного режима | ты—режим доплеровских РЛС (i рители скорости движения автот{ порта путем измерения доплеровс смещения частоты /д, датчики а сти и т.д.). Функциональные схем! дулей для доплеровских РЛС i ставлены на рис. 6.3. На с рис. 6.3, а генератор и смеситель ключены к антенне через циркул} причем часть мощности генера ответвляется и подводится к см& лю в качестве колебаний гетеро;

С целью упрощения и удеш( ния модуля циркулятор иногда ключают, при этом чувствителы модуля снижается примерно в 2 j Смесительные диоды подключак общему СВЧ-тракту через дели мощности (рис. 6.3, б). На рис. 6 показана схема конструктивно с простого модуля, в котором од.т тивный полупроводниковый пр (транзистор, диод Ганна, лави пролетный диод — ЛПД) совм& функции генератора, гетеродин смесителя (так называемый автс ный прием). Недостаток автоди!

модулей — сравнительно низкая чувствительность, так как генерирую-щий смеситель имеет повышенный коэффициент шума (30 дБ и бо-лее).

Учитывая, что приемные и приемопередающие модули широко используются в АФАР, рассмотрим более подробно особенности модулей этого назначения [31. Модули, применяемые в АФАР, имеют в своем составе управляемые фазовращатели, схемы управления, контроля. Кроме того, специфика АФАР конкретного назначения привносит свои особенности в функциональную схему модуля. Наконец, общим требованием для модулей АФАР является идентичность их фазочастотных характеристик, причем при работе приемных модулей в условиях значительного изменения уровня входного сигнала добавляется также требование идентичности фазо-амплитудных характеристик.

Рассмотрим особенности построения функциональных схем приемопередающих модулей АФАР. На рис. 6.4, а, б показаны схемы приемопередающих модулей с преобразованием и без преобразования частоты соответственно. Особенностью модуля, выполненного по схеме рис. 6.4, а, является применение умножителей частоты на четыре как в приемной, так и в

передающей его части. Это позволяет, во-первых, повысить диапазон рабочих частот модуля, во вторых, реализовать фазовращатели на более низкой частоте и с меньшими фазовыми сдвигами, что проще. Фазовращатели выполнены дискретными и фиксированные значения фазы устанавливаются по сигналам из блока управления. Как видно, в приемной части модуля отсутствует МШУ. Принцип работы такого модуля довольно прост: в режиме приема с помощью двух переключателей на смеситель подаются мощности входного сигнала и гетеродина, а в режиме передачи с помощью этих же переключателей на излучатель подается мощный выходной сигнал модуля. Недостатком модуля является то, что переключатель, подключенный к излучателю, в режиме передачи работает на высоком уровне мощности, что снижает КПД модуля. Указанный недостаток устранен в модуле, выполненном по схеме рис. 6.4,6, за счет введения циркулятора. Переключатель вынесен в приемную часть модуля, которая кроме него содержит диодный ограничитель, МШУ, фильтр и дискретный аттенюатор. Фазовращатель здесь используется и на прием, и на передачу. Так как оба переключателя работают на низком уровне мощности, они могут быть унифицированы. Дискретный аттенюатор позволяет синтезировать диаграмму направленности АФАР в режиме приема. Параметры модуля по схеме рис. 6.4, б: максимальная выходная мощность 200 Вт на средней частоте 1,3 ГГц, коэффициент усиления приемной части в относительной полосе 10% 18 дБ, коэффициент шума 1,7 дБ. Дискретный аттенюатор имеет фиксированные затухания 2,4 и 8 дБ, а фазовращатель — пять фиксированных значений фазы (11,25; 22,5; 45; 90 и 180°). Габаритные размеры модуля 150 х 100 х 30 мм. Модуль выполнен по гибридно-интегральной технологии.

Рассмотрим особенности приемных модулей АФАР. В модуле по схеме рис. 6.5, а сигнал принимается излу-

чателем, усиливается, фазируется и поступает в систему первичной обработки сигналов, которая в простейшем случае представляет собой многоканальный сумматор, на остальные входы которого поступают выходные сигналы других модулей. В модуле по схеме рис. 6.5, б дополнительно включены смеситель и УПЧ, что, с одной стороны, требует в составе АФАР еще одной распределительной системы для подведения мощности гетеродина ко всем модулям, а с другой стороны, распределительная система для подключения выхода каждого модуля к системе первичной обработки сигналов оказывается проще, так как на промежуточной частоте неточности длин линий передачи значительно меньше влияют на идентичность фазо-частотных характеристик модулей. Кроме того, фазовращатели могут располагаться в тракте гетеродина и, следовательно, выполняться на фиксированной частоте (что проще) или в тракте промежуточной частоты и выполняться более точными и дешевыми.

Чувствительность АФАР должна быть выше чувствительности пассивной ФАР, в противном случае АФАР не будет иметь одного из основных преимуществ по сравнению с пассивной ФАР. Это ограничение предъявляет определенные требования к усилительным и шумовым свойствам отдельных узлов приемного модуля. Выясним их. Для коэффициента шума модуля по схеме рис. 6.5, а можно записать

Кш афар = /СшМШУ+ (АшВУ L<t> —

- Ш&шу, (6.4)

где /Сшмшу и Кр мшу — коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности малошумящего усилителя; ^шву — коэффициент шума выходного устройства, подключенного к выходу системы первичной обработки сигналов (на рис. 6.5, а не показано); £-ф, L_s — потери в фазовращателе и сумматоре (в системе первичной обработки сигналов)

Аналогично, для коэффициент шума модуля пассивной ФАР имее

/Сшфар -~ ЕфЕъКщЪУ- (6.i

Разделив выражение (6.5) на (6.4 получим энергетический выигрыш, к( торый обеспечивает АФАР в сравн! нии с пассивной ФАР;

В = Л шФЛр/А^шАФАР =*

(6.(

Максимальный выигрыш реализ} ется при достаточно большом коэфф! циенте Кр мшу:

5,„_нх да La,/_£ /С_шву//СшМШУ. (6.'

Предельный выигрыш можно пс лучить при Кшшиу -*■ 1: ^пред ^s да Z.<j>Lj АГ_шву. Например, при Ьф -— 1,43, Lj == 2 и К_шышу -- АС_шву~ = 2 максимальный выигрьп

В max 2,86 При Кр МШУ > 5

(17 дБ), а предельный выигрьп й_пред да 5,7. Для модуля с преоб разованием частоты (рис. 6.5,6) маь симальный выигрыш также оценивг ется по формуле (6.7).

Идентичность фазочастотных хг рактеристик модулей обычно достиг* ется известными приемами гибриднс интегральной технологии. Однако он может достигаться также рационал* ным построением функциональны схем модулей, в основе которых зале жены различные методы самокомпен

Рис. 6.6

сации нестабильных фазовых сдвигов. Например, в приемных модулях по схеме рис. 6.6 идентичность фазовых сдвигов осуществляется с помощью известного метода «двойного частотного переноса» (см. гл. 4, рис. 4.15). Как отмечалось, нестабильность частоты и фазы вспомогательного генератора в фильтрах, построенных на основе этого метода, компенсируется. Если источник сигнала и гетеродина поменять местами, т. е. напряжение полезного сигнала подать синфазно на оба смесителя, а напряжение гетеродина — только на один смеситель, то напряжение на выходе второго смесителя не будет зависеть от фазовых сдвигов в МШУ. Кроме того, в таком модуле не нужен управляемый фазовращатель, так как независимо от фазы сигнала на входе модуля фаза выходного сигнала будет определяться фазой гетеродина. Однако подобное построение модуля АФАР может быть использовано только для определенного класса принимаемых сигналов. Как указывалось.

назначение АФАР во многом определяет и схемное построение модуля.

Например, в самофазирующихся антенных решетках (суммирование от всех элементов в них происходит синфазно независимо от фазового фронта падающей волны) приемные модули построены с использованием фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), принцип действия которой изложен в гл. 10. На рис. 6.7, а, б представлены две функциональные схемы таких модулей.

В модуле по схеме рис. 6.7, а фаза опорного сигнала задается специальным опорным генератором ОГ, частота со _г которого близка к частоте принимаемого сигнала со_с. Сигнал от излучателя через смеситель подается на фазовый детектор, где происходит его сравнение по фазе с опорным сигналом. С выхода фазового детектора сигнал ошибки, пропорциональный разности фаз принятого и опорного сигналов, воздействует на генератор, управляемый напряжением (ГУН), частота выходных колебаний которого зависит от управляющего напряжения. Замкнутая цепь обратной связи ГУН — смеситель устанавливает равенство фаз принятого сигнала на выходе смесителя и опорного сигнала. Достоинством такого модуля является отсутствие шума в опорном сигнале. Его применение целесообразно, если частота принимаемого сигнала известна заранее с высокой точностью, так. как ГУН должен скомпенсировать сдвиг частоты вследствие нестабиль-

Пб

ности передатчика и доплеровскии сдвиг частоты из-за движущегося объекта.

В модуле по схеме рис. 6.7, б в качестве опорного используется сигнал с выхода сумматора выходных напряжений всех модулей (на рис. 6.7,6 для упрощения показано два модуля). Несмотря на то что в опорном сигнале такого модуля имеются шумы (опорным сигналом является принятый и усредненный сигнал), помехоустойчивость его может быть не хуже, чем в модуле по схеме рис. 6.7, а, что объясняется возможностью сужения шумовой полосы системы ФАПЧ, так как в данном случае доплеровскии сдвиг частоты присутствует в опорном сигнале и компенсации подлежат лишь нестабильность частоты передатчика и медленные уходы фазы сигналов в каждом модуле.

Другим примером, когда функциональная схема модуля и параметры входящих в него узлов определяются назначением АФАР, является приемопередающий модуль переизлучающей АФАР. Как известно из теории ФАР, для работы переизлучающей ФАР необходимо создать в излучателях фазовое распределение, комплексно сопряженное фазовому распределению для принятого сигнала, которое можно получить разными способами.

На рис. 6.8 приведена функциональная схема приемопередающего модуля, в котором сопряжение фазовых сдвигов осуществляется с помощью преобразования частоты принятого сигнала. На выходе смесителя при (о_г > ш₀ имеем сигнал

"п (*) = К_СМ U_c L/..COS (ш_сг +

+ ф_с) COS co_r t = Ь,5К_сц Uг. Uг [cos (о),. /

-м_с'-Фс)1 + 0,5/С_омс/_сс/,.

X[COS ((OjJ-Lco,.* -f- ф,.)|.

Если частота гетеродина <о_г = = 2(о_с, то первое слагаемое в этом выражении имеет фазу (w_cr — ф_с), сопряженную фазе приходящего сигнала. Как видно, сопряжение по фазе получено здесь путем инвертирова-

ния спектра принятого сигнала. В ы дуляторе на сигнал с сопряжены фазой накладывается информащ (Умод) и производится сдвиг по част те. Далее сигнал усиливается и пер излучается. Сдвиг по частоте позв ляет увеличить развязку меж, приемной и передающей частями мод ля с помощью полосового фильтр настроенного на принимаемый сигна Кроме рассмотренных существу много других АФАР, функционал ные схемы приемных модулей в кот рых отличаются, например, наличи второго канала, устройств для пла ного регулирования комплексно коэффициента передачи и т.д.