Не зарегистрирован


Подписаться
Вход
Забыли пароль?
Регистрация

  СОВРЕМЕННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ



Новости

18.02.17
Вышла статья в журнале АНРИ  №4 2016 год: Исследования нейтронного спектрометра. Первый в России дозиметр, которому не требуется калибровка для неизвестного поля нейтронов и гамма-квантов.
22.12.16
Выпущена новая версия Спектрометра SDMF-1206PRO.DB Спектрометр предназначен для исследований дифференциальных и интегральных энергетических распределений нейтронного в диапазоне (0.24-12) МэВ и гамма (0.05 - 6) МэВ излучения. Спектрометр в...


Новейшие разработки

 

НИР и ОКР    

ОКР №12       АЦП PCIe ( 8 lane )  

  Разработка  модуля  АЦП с максимальным  большим динамическим диапазоном и   широкой    мгновенной  полосой анализа.  Верхняя  граничная частота в спектре 2.5 ГГц. АЦП 14 бит, частота дискретизации 3 ГГц.

 

Подписка

Введите код:  

Индикаторы

  

  

Rambler's Top100 

Главная  /  Статьи

Широкополосные приемные устройства СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.

 

Проблема создания широкополосных приемных устройств (ШПУ) с расширенным динамическим диапазоном (ДД) традиционно является одной из основных задач радиоэлектроники СВЧ. Основной причиной, препятствующей расширению полосы принимаемых частот, являются побочные (паразитные) каналы приема (ПКП). Они ограничивают реальный динамический диапазон приемного устройства а, следовательно, тактико-технические характеристики аппаратуры и области ее применимости. Существуют несколько путей решения указанной проблемы. Все они имеют свои достоинства и недостатки, связанные со схемотехническими и конструктивными особенностями конкретных устройств. Универсальные системотехнические подходы к созданию ШПУ СВЧ еще не сформированы. Единая система параметров и определений также не установлена.

 

Предметом данной статьи является систематизация терминов и определений, классификация ШПУ СВЧ, а также описание некоторых заслуживающих внимания вариантов реализации приемных устройств с расширенным динамическим диапазоном и их оптимального комплексирования.

 

1. Определения, классификация.

 

Для удобства дальнейшего изложения определимся с терминологией. Представляется логичным считать приемное устройство СВЧ широкополосным, если последнее предназначено для приема сигналов в полосе от 10 % до 100 % относительно нижней границы диапазона рабочих частот. Нижний предел в 10 % отделяет рассматриваемый класс приемных устройств от большинства сравнительно узкополосных приемников активной радиолокации и радиосвязи. Верхний предел в 100 % также имеет смысл, потому что октавная полоса по входу приемного устройства означает ограничение реального ДД за счет неизбежного наличия ПКП вызванного второй гармоникой входного сигнала. Как правило, такие приемные устройства содержат входной коммутируемый или перестраиваемый преселектор и ряд других схемотехнических и конструктивных особенностей, позволяющих выделить их в самостоятельный подкласс. Предлагается считать приемные устройства с полосой рабочих частот более одной октавы сверхширокополосными, хотя в дальнейшем изложении при общем упоминании будет также использоваться общий термин – ШПУ.

 

Существует несколько критериев верхней и нижней границ ДД [1]. Обычно нижняя граница определяется чувствительностью приемника, рассчитываемой по формуле Найквиста, а верхняя граница – заданным уровнем компрессии входного сигнала. Это определение корректно описывает узкополосные приемники, в которых отсутствуют ПКП, либо ими можно пренебречь.

 

В широкополосных приемниках ДД правильней определять как отношение полезного сигнала к максимальному ПКП. При работе преобразователя в многосигнальном режиме по входу верхнюю и нижнюю границу ДД наиболее корректно определять с учетом интермодуляционных составляющих (ИМС). Если при этом рассматривать ИМС как частный случай ПКП, то это и есть определение реального ДД ШПУ

 

Итак, реальным называется динамический диапазон входных сигналов ШПУ, лежащий между его верхней границей Ппр.макс. и нижней границей Ппр.мин., в котором отклик на выходе устройства от входного сигнала с уровнем Ппр.мин превышает отклик от любой помехи с уровнем Ппр.макс , а также суммарную мощность шумов в мгновенной полосе анализа.

 

По принципу схемотехнического построения ШПУ подразделяются на супергетеродинные и инфрадинные. Супергетеродинный принцип преобразования заключается в том, что сигнал рабочего диапазона частот с помощью нижнего или верхнего гетеродина преобразуется на более низкую промежуточную частоту.

 

В инфрадинном ШПУ сигнал рабочего диапазона частот преобразуется на первую промежуточную частоту, которая лежит выше верхней границы рабочего диапазона частот [2]. Такое построение позволяет, как правило, уйти от наиболее мощных ПКП низких порядков, упростить требования к преселекторам и расширить реальный динамический диапазон приемника. Второе преобразование в инфрадине осуществляется вниз по частоте.

 

Важно отметить, что принципиально достижимый динамический диапазон широкополосных инфрадинных приемников СВЧ зависит от коэффициента инфрадинности, определяемого как отношение значения нижней границы первой промежуточной частоты к верхней границе рабочего диапазона частот [3]:

 

 

На практике увеличение Ки означает продвижение вверх по частоте в мм-диапазон длин волн и связанное с этим усложнение конструкции приемника.

 

По принципу формирования гетеродинных сигналов инфрадины подразделяются на когерентные и квазикогерентные. В когерентных ШПУ - сигналы гетеродинов для первого и второго преобразований синтезируются из высокостабильного опорного сигнала с низким уровнем фазового шума. Квазикогерентная схема строится на основе принципа возвратного гетеродинирования с компенсацией частотных уходов и фазовых шумов нестабилизированного гетеродина,. В квазикогерентной схеме перестройка приемника обеспечивается синтезатором СВЧ-диапазона. В целом квазикогерентная схема построения инфрадинов имеет перспективу в ряде применений благодаря относительной простоте реализации.

 

Ниже будут рассмотрены квазикогерентные широкополосные инфрадинные преобразователи (ШИП) с однополосной и суммарно-разностной схемой построения гетеродинных цепей, а также неперестраиваемые инфрадинные преобразователи – переносчики частоты. Термин ШИП расширяет понятие инфрадинного ШПУ, т.к. инфрадины часто используются в качестве обратных преобразователей в передающем канале.

 

Из рассмотрения в настоящей публикации исключаются радиометрические приемные устройства СВЧ и приемники с мгновенным измерением частоты. Оба эти широких класса приемников характеризуются в настоящее время невысокими значениями реального ДД в многосигнальном режиме по входу.

 

В статье также не будут рассматриваться приемные устройства, не имеющие в своем составе нелинейных преобразователей - приемники прямого усиления и детекторные приемники.

 

На основании изложенного выше предлагается следующая классификация широкополосных приемных устройств СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.

 

 

Рис. 1. Классификация ШПУ СВЧ с расширенным динамическим диапазоном.

 

 

2. Супергетеродинные ШПУ СВЧ.

 

Перестраиваемые супергетеродинные ШПУ СВЧ с расширенным ДД всегда имеют в своем составе преселекторы построенные, как правило, на основе ЖИГ-резонаторов. Высокие электрические параметры последних в сочетании с многодиодными высоколинейными смесителями, сложной схемой частотообразования и последующей цифровой обработкой сигналов позволяют создавать высококачественные сверхширокополосные приемные устройства, широко применяющиеся в измерительной технике [4]. Более широкому использованию ШПУ с перестраиваемыми преселекторами препятствуют ограничения по мгновенной полосе частот и стойкости к внешним воздействующим факторам, присущие ЖИГ- резонаторам.

 

Коммутируемые преселекторы, в общем, решают проблему создания широкополосных супергетеродинных приемных устройств с приемлемым ДД. Принципиальным недостатком супергетеродинов является необходимость подавления довольно мощных ПКП низких порядков за счет предельных параметров преселекторов и смесителей [5]. Тем не менее, такие приемники успешно применяются в некоторых типах широкополосной радиоприемной аппаратуры.

 

Многоканальные (по частоте) неперестраиваемые супергетеродинные приемники также получили довольно большое распространение [6,7,8]. Многоканальность дает потребителям приемного устройства одно важное преимущество – возможность непрерывного наблюдения требуемого диапазона частот без пропусков, неизбежных в сканирующем приемнике. Очевидно, что при этом существенно возрастают масса, габариты и стоимость аппаратуры. Необходимо отметить, что последние успехи в области монолитных и гибридно-монолитных интегральных схем СВЧ [9] позволяют считать многоканальность перспективным направлением создания ШПУ СВЧ.

 

 

3. Инфрадинные переносчики частоты.

 

Неперестраиваемые ШИП СВЧ – переносчики частоты применяются для преобразования сигналов в широких, близкорасположенных или стыкующихся между собой полосах частот. Такие задачи зачастую возникают при модернизации СВЧ аппаратуры, связанной с расширением полосы рабочих частот, а также в измерительной технике, когда применение переносчиков позволяет расширить диапазон рабочих частот с минимальными затратами.

 

Рассмотрим функциональную схему одного из двух вариантов квазикогерентных переносчиков частоты СВЧ – диапазона представленных в [3]. Устройство предназначалось для преобразования сигналов диапазона рабочих частот 8 – 13 ГГц на вход базового блока в диапазон частот 13 – 18 ГГц и обратного преобразования сигналов с выхода базового блока в диапазон рабочих частот. С целью обеспечения 40 – 50 дБ динамического диапазона по ПКП первая промежуточная частота преобразования была выбрана в 5-мм диапазоне длин волн. Гетеродин частотой 45 ГГц был выполнен на диоде Ганна. В качестве опорного генератора частотой 5 ГГц использовался малошумящий синтезированный генератор на биполярном транзисторе.

 

 

Рис. 2. Функциональная схема инфрадинного переносчика частот.

 

По приведенной выше классификации переносчик является квазикогерентным преобразователем частот с гетеродинной цепью на основе модулятора одной боковой полосы. Сдвиг частоты задается высокостабильным малошумящим генератором СВЧ, а нестабильности опорного гетеродина мм-диапазона длин волн скомпенсированы. Такая схема хорошо зарекомендовала себя в широкополосных неперестраиваемых инфрадинных преобразователях. Попытки создания по этому принципу сверхширокополосного перестраиваемого инфрадинного преобразователя в то время натолкнулись на сложность реализации отдельных элементов схемы, в частности фильтров и синтезированного гетеродина. В результате возникло новое оригинальное техническое решение, которое описано ниже.

 

 

4. Перестраиваемые ШИП СВЧ.

 

Перестраиваемые ШИП СВЧ в отличие от переносчиков частоты предназначены для сканирования диапазона частот входных сигналов и преобразования их на выход устройства для последующей обработки. Принцип преобразования - инфрадинный. Настройка на частоту осуществляется либо внешним СВЧ – синтезатором, либо с помощью встроенного синтезатора по внешним командам. Основные технические решения известных на сегодня ШИП СВЧ схожи.

 

Хронологически первой была опубликована [10] и запатентована [11] схема квазикогерентного ШИП СВЧ представленного ниже. Первая промежуточная частота была выбрана в 3-мм диапазоне, гетеродинная цепь впервые была построена с использованием суммарной и разностной частот преобразования. В целом схемотехническая реализация оказалась удачной. Основной технической проблемой при создании ШИП явилась малая гетеродинная мощность для работы повышающего и понижающего смесителей инфрадинного тракта. Проблема была решена применением балансных смесителей со смещением. Проведенные в [4] исследования подтвердили

 

эффективность применения смесителей со смещением в преобразователях с расширенным динамическим диапазоном. Было показано, что смещение компенсирует недостаток гетеродинной мощности практически без ухудшения основных параметров преобразователя как по классическому ДД, так и по уровню подавления ПКП и ИМС.

 

Конструктивно ШИП СВЧ представлял собой микросборку гибридно-интегральных Е – плоскостных элементов в канале волновода 1,2*2,4 мм2. смесителей, фильтров, делителя мощности и мм-гетеродина соединенных между собой посредством стандартных волноводных фланцев. Сигнал СВЧ – синтезатора поступал извне. Функциональная схема ШИП СВЧ приведена на рис.3, частотный план и особенности конструктивного исполнения подробно описаны в [10].

 

 

Рис.3. Функциональная схема суммарно-разностного ШИП СВЧ.

 

В ходе выполнения ряда работ было изготовлено некоторое количество опытных образцов прямых и обратных конвертеров. Диапазон рабочих частот преобразователей составлял от 4,5 до 18 ГГц. Их широкому внедрению технические проблемы, связанные с высшими типами волн в волноводе, которые приводили к возникновению соответствующих ПКП и ограничивали реальный ДД на уровне 30 – 35 дБ. Указанное ограничение не является принципиальным и по мере развития техники и технологии 3-мм диапазона длин волн данная схема найдет свое воплощение, как одна из самых простых и перспективных с точки зрения достижения наибольшего ДД.

 

Несколько позднее возникло другое техническое решение инфрадинного сверхширокополосного приемного устройства диапазона 0,2 – 18 ГГц с промежуточным преобразованием через 3–мм диапазон длин волн. Гетеродинная цепь инфрадинного преобразователя также была построена на основе суммарно – разностной схемы, но с применением умножителей частоты высокой кратности [12,13]. Структурная схема устройства приведена на рис.4.

 

 

Рис.4. Структурная схема суммарно-разностного инфрадинного преобразователя на основе умножителей высокой кратности.

 

 

Преобразователь входил в состав трехканального приемного устройства МПУ-3, разработанного ЗАО «Скард-электроникс». Приемное устройство имело в своем составе синтезатор частот, вторичный источник питания, было изготовлено в нескольких экземплярах и по информации с официального сайта фирмы (www.SKARD.RUWWW.SKARD.RU) применялось в составе некоторой специальной аппаратуры.

 

Причины, по которым приемное устройство МПУ-3 не получило широкого применения также кроются в недостаточном для реализации таких сложных устройств уровне развития техники и технологии мм-диапазона длин волн.

 

По изложенным выше обстоятельствам, в последние годы возобладал более прагматичный подход к созданию сверхширокополосных инфрадинных радиоприемных устройств СВЧ.

 

 

5. Когерентные инфрадинные ШПУ СВЧ.

 

Системотехнические решения когерентных инфрадинных ШПУ в значительной степени заимствованы из более низкочастотной схемотехники. Эти решения в принципиальном плане давно апробированы и хорошо зарекомендовали себя при создании профессиональной аппаратуры коротковолновой радиосвязи [14], тюнеров для приема сигналов спутникового телевидения и широкополосных сканирующих приемников радиоконтроля дециметрового диапазона. Продвижение указанных системотехнических решений в диапазон СВЧ и в нижнюю часть мм-диапазона длин волн стало возможным только в последние годы, благодаря значительным успехам в области монолитных интегральных схем (МИС) и гибридно-интегральных компонентов [15,3]. Прежде всего это касается широкополосных МИС усилителей, умножителей, смесителей, а также гибридно-интегральных фильтров и других пассивных элементов.

 

Приведенная на рис.5. структурная схема когерентного ШПУ СВЧ является обобщенной для применения в нескольких типах приемников, разработанных в интересах различных потребителей. Приемники имеют между собой непринципиальные отличия в конструкции, количестве каналов и т.п.

 

 

Рис. 5. Структурная схема когерентного ШПУ СВЧ.

 

Конструктивно приемник представлял собой шасси, в виде несущей плиты с закрепленными на ней герметичными модулями. Питание и управление модулей осуществлялось от собственного вторичного источника питания и контрольного устройства через врубные разъемы, предварительно смонтированные на несущей плите. СВЧ – соединения выполнялись полужесткими либо гибкими коаксиальными кабелями в зависимости от диапазона частот. Изделия обеспечивали оперативный контроль состояния готовности и контрольный разъем для диагностики в технологических и ремонтных целях. Внешний вид одного из вариантов исполнения сверхширокополосного приемника СВЧ приведен в [3] на странице 72.

 

Основные параметры приемника приведены в таблице 1.

 

 

 

6. Оптимальное комплексирование ШПУ СВЧ.

 

В ходе работы над сверхширокополосными приемниками СВЧ были опробованы различные варианты их сопряжения (комплексирования) с входными и выходными устройствами и модулями. Входные устройства представляли собой набор модулей, по числу выходов антенной системы, в составе защитного устройства, коммутатора, ступенчатого аттенюатора, полосно-пропускающего диапазонного фильтра и многокаскадного усилителя. Выходные устройства – это, как правило, многоканальные узкополосные супергетеродинные преобразователи на более низкую частоту для последующей цифровой обработки сигналов.

 

Необходимость проведения работ по комплексированию была вызвана сложившейся практикой проведения разработок ШПУ СВЧ. При формировании технических требований наибольшую сложность вызывало согласование системы параметров и их конкретных значений, особенно по широкополосным СВЧ – стыкам. В том случае, когда количество отдельных устройств и, следовательно, стыков в системе было неоправданно завышено, у потребителей, как правило, возникали большие проблемы при стыковочных и пуско-наладочных работах. Перенос основного объема стыковочных работ в технологический цикл изготовления устройств и модулей оказался целесообразным главным образом из-за того, что изготовитель всегда имеет больше возможности для оперативной коррекции параметров, состава модулей и схемотехники приемника.

 

В частности по результатам сопряжения в одной из разработок была скорректирована структурная схема ШПУ. Широкополосный буферный усилитель был заменен аттенюатором, а недостаток усиления был скомпенсирован во входном модуле. В итоге удалось на 4 – 5 дБ расширить реальный ДД комплексированного приемного устройства в целом.

 

Другим важным результатом работы над комплексированными приемными устройствами стала конструктивная оптимизация широкополосных кабельных СВЧ – соединителей, выразившаяся в уменьшении количества стыков и длины кабелей. В некоторых случаях была использована комбинаторика на уровне унифицированных узлов и модулей, которая также как правило, приводила к достижению положительного эффекта.

 

Уменьшение количества стыков, которые необходимо оговаривать на этапе формирования технических требований, а затем тестировать и сопрягать с аппаратурой на этапе сдачи продукции – это одно из основных направлений оптимизации процесса разработки радиоэлектронной аппаратуры. Сказанное выше особенно актуально при проведении разработок, производстве единичных образцов и мелкосерийном производстве.

 

В итоге была показана целесообразность создания комплексированных ШПУ, представляющих собой конструктивно законченные приемные подсистемы, имеющие минимально необходимое количество стыков с аппаратурой потребителя. Как правило, это входной и выходной стыки, стык по питанию, стык по управлению. Кроме оптимизации электрических и конструктивных параметров такой подход упрощал взаимодействие с потребителем на этапах формирования технических требований и при вводе аппаратуры в эксплуатацию.
 

 

Рис. 6. Обобщенная структурная схема приемной подсистемы СВЧ.

 

 

Заключение.

 

Основные выводы и результаты, которые представляется необходимым вынести в заключение данной статьи следующие:

 

1.С целью формирования объективной системы параметров ШПУ СВЧ введено определение реального динамического диапазона;

 

2.Представлена классификация ШПУ СВЧ и доступные из литературы примеры схемотехнической реализации устройств, а также некоторые собственные результаты;

 

3.Обоснована перспективность применения инфрадинного принципа построения ШПУ СВЧ с расширенным динамическим диапазоном;

 

4.Показано, что важнейшим резервом дальнейшего улучшения характеристик пассивных радиотехнических систем является оптимальное комплексирование ШПУ с целью создания конструктивно законченных приемных подсистем СВЧ от выхода антенны до входа аппаратуры обработки сигналов.

 

 

Список литературы.

 

  1. Куприянов П.В., Дудко С. А. Исследование динамического диапазона широкополосного инфрадинного преобразователя СВЧ. - Радиотехника, 1999, № 4
  2. Радиоприемные устройства / Под ред. И.Н. Фомина. - М.: Радио и связь. 1996.
  3. Куприянов П. В. Широкополосные инфрадинные преобра-зователи СВЧ. - Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника. 2003, вып.1(481).
  4. Кудрявцев A.M. и др. Анализатор спектра С4-98. — Антенны. НИИПП «Кварц» г. Нижний Новгород, 2004. вып.7 (86).
  5. Microwave Journal. 1999. v. 42. no. 10, p. 44,45.
  6. Defense Electronics, May 1979. v. 11. no. 5, p. 79,80.
  7. Aviation Week, 18/11 1985, v. 122, no. 7, p.72.
  8. Microwave Journal, 1984, v. 27, no. 9, p.38 - 73.
  9. Крутое A.B., Дудинов KB, Гибридно-монолитные усилители сантиметрового и дециметрового диапазона для сис-тем связи. - Материалы конф. 16-19 сент. 1996. — Севастополь: Вебер, 1997.
  10. Куприянов П. В. Широкополосный инфрадинный преобра­зователь СВЧ. - Электронная техника. Сер 1. СВЧ-техника, 1998, вып 2(472).
  11. Патент на изобретение №2133078 с приоритетом от 26.07.1996. Сверхвысокочастотное приемопередающее устройство и его варианты / Куприянов П.В., Мираков КЕ.
  12. Патент на изобретение № 2161861 с приоритетом от 30.11.1999. Сверхвысокочастотное приемное устройство / Чесноков О.Н.; Перетягин И. В.
  13. Щитов A.M. и др. Многофункциональные комплексированные устройства СВЧ — элементная база современной радиоэлектронной аппаратуры. — Антенны. НИИПП «Кварц» г. Нижний Новгород, 2004, вып.7 (86).
  14. Головин О.В. Радиоприемные устройства. — М.: Высшая школа. 1997.
  15. Devlin, L, Beasley, P. Full custom GaAs MMICs for 2-18 GHz ESM Front-end.— Microware Enqineerinq, March 2002.

 

От теории к практике

 

Сотрудинками компании ОО "Центр АЦП" разработаны приборы: Спектроанализатор РЧ-3200 и плата DSP5016-1402

 

 

Система продолжительного и быстродействующего сбора данных Nimble-1600

 


08.12.13
Автор: П.В.Куприянов 




Разделы / Публикации в журналах
Обратная связьПодпискаОпросыСправочник специалиста в АЦП
© Все права защищены. 2004-2017 ООО "Центр АЦП"
Служба поддержки:
Работает на: Amiro CMS