RU152895U1

RU152895U1 - ULTRA-BAND AUTONOMOUS ANTENNA SWITCH FOR SHORT VIDEO PULSE

Info

Publication number: RU152895U1
Application number: RU2014121571/08U
Authority: RU
Inventors: Алексей Васильевич Кириллов; Владимир Николаевич Вьюгинов; Рафаил Григорьевич Шифман
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Светлана-Электронприбор"
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2015-06-20

Abstract

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 τ- длительность видеоимпульса), при этом все вышеупомянутые диоды быстродействующие, причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения.An ultra-wideband autonomous antenna switch for short video pulses, comprising a transmission channel, a reception channel, two counter-connected diodes, each of which is connected in series to the reception and transmission channels, an antenna channel connected to the junction point of the aforementioned diodes, a ballast resistor connected in parallel to the diodes at their point connection, characterized in that the electrical distance between each of these diodes and the connection point of the diodes with the antenna and ballast is less than a quarter the wavelength corresponding to the upper cutoff frequency of the video pulse defined by the expression (where τ is the duration of the video pulse), while all of the above diodes are high-speed, and only the diode in the receive channel is connected to a constant voltage source.

Description

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может использоваться в радиолокации, аппаратуре связи и телекоммуникаций.The utility model relates to radio electronics and can be used in radar, communications equipment and telecommunications.

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.Currently, in order to increase the information content of radio engineering complexes, a new direction in radar is beginning to develop, the so-called ultra-wideband (UWB) radar based on the use of ultra-short video pulses with a pulse duration from fractions of up to a few units.

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 выражениемAs you know, such a video pulse has a very wide (theoretically infinite) frequency spectrum, extending from direct current to infinity (GB Belotserkovsky. "Fundamentals of radio engineering and antennas", part I, "Fundamentals of radio engineering", ed. "Sov. Radio ", Moscow, 1968, pp. 39-40). Moreover, 95% of the power is concentrated in the range, the upper cutoff frequency of which is determined by the expression

,

где τ_и - длительность импульса.where τ _and are the pulse duration.

Так, при длительности импульса τ_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.So, with a pulse duration of τ _and = 1, not the upper cutoff frequency of the spectrum is 2 GHz, but with a pulse duration of 0.1 non-20 GHz, while the working frequency band in both cases is 200%, since the average operating frequency of the range is 0 , 5 f _gr .

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).To switch the radar antenna from the transmission mode to the reception mode, traditional antenna switch designs based on the application of the properties of quarter-wave and half-wave segments of the transmission line are used. According to this principle, antenna switches are developed both on the basis of gas-discharge and on the basis of semiconductor devices (Ropiy A.I., Starik AM, Shutov K.K. “Super-frequency protective devices”, publishing house “Sov. Radio”, Moscow, 1993, p. 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.In the semiconductor circuits of such antenna switches, two controlled diode switches are used that connect the transmission and reception channels to the antenna and provide signal transmission and reception modes.

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. ).A semiconductor antenna switch is known in which a diode connected in series with the antenna is used in the transmission channel, and a diode connected in parallel with the antenna and located at a quarter of the length from the connection point with the antenna is used in the receiving channel, while using direct current the diodes are connected in series and the antenna switching mode is carried out using an external control signal supplied to the diodes (US No. 6586786, IPC H01P 1/15, published July 1, 2003).

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.The disadvantages of this design are the narrow working band (not more than 10%), which is associated with the resonance properties of the quarter-wave segment of the transmission line, and the operation is non-autonomous, since control is required for the operation of such a switch, and the control must be synchronized with the transmitter pulse.

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.The closest analogue of the claimed utility model (prototype) is an antenna switch containing two counter-connected controlled p-i-n diodes in the transmission channel and in the reception channel (P-I-N Diode Circuit Designers Handbook, Microsemi-Watertown, 1999, p. 12). This scheme allows to obtain a wider operating bandwidth (more than 10%) due to the absence of a quarter-wave line segment, however, it does not provide the required operating bandwidth (200%) in the case of using an ultra-short (ultra-wideband) video pulse due to the complexity of controlling the switch operation for an extremely short duration video impulse.

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.In addition, this switch does not provide autonomy of operation, since control is required for the antenna switch to work, and the control signals supplied to the diodes must be tightly synchronized with the transmitter pulse, which is almost very difficult to do with an ultra-short pulse duration.

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).The purpose of this utility model is to expand the operating frequency band of a semiconductor antenna switch (up to almost 200%) while ensuring autonomy of operation (without giving control synchronized with the transmitter pulse).

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 выражениемThis goal is achieved in that the ultra-wideband autonomous antenna switch for short video pulses contains transmission, reception, two on-line diodes, each of which is connected in series to the reception and transmission channels, an antenna channel connected to the junction point of the aforementioned diodes, while the electrical distances between each of these diodes and the connection point of the diodes with the antenna is less than a quarter of the wavelength corresponding to the upper cutoff frequency of the video pulse, defined by the expression iem

где τ_и - длительность импульса,where τ _and is the pulse duration,

причем только диод в канале приема соединен с источником постоянного напряжения.moreover, only a diode in the receiving channel is connected to a constant voltage source.

Предлагаемое устройство поясняется следующими чертежами.The proposed device is illustrated by the following drawings.

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.In FIG. 1 is a simplified circuit diagram of an ultra-wideband autonomous antenna switch. In FIG. 2 shows a simplified circuit diagram of an ultra-wideband autonomous antenna switch with an increased attenuation between the channels of the transmitter and receiver. In FIG. Figure 3 shows a universal circuit diagram of an ultra-wideband autonomous antenna switch operating with positive and negative polarity of video pulses.

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 Д₂ 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).The antenna switch according to the proposed utility model contains the channels of the transmitter, antenna, receiver, diodes D ₁ and D ₂ in the channels of the transmitter and receiver, while the electrical distance from the diodes D ₁ and D ₂ to the point of connection of the diodes with the antenna is less than a quarter of the wavelength corresponding to the upper the boundary frequency of the video pulse, and only the diode D ₂ in the receiving channel is connected to the bias source (Fig. 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.The filter C _f R _f serves to supply a bias voltage + U _cm to the diode D ₂ , the ballast R is needed to close the DC current of the diode D ₂ and the DC component of the diode D ₁ Resistance R and R _f are selected from the condition of minimizing the loss of the transmitted signal, for this their value should be much greater than the wave impedance of the path W.

В частности, для широко используемого микрополоскового тракта с W=50 Ом обычно выбирают R и R_ф величиной 500…1000 Ом. Емкость C_ф является фильтрующей по цепи смещения.In particular, for a widely used microstrip path with W = 50 Ohms, R and R _f are usually chosen with a value of 500 ... 1000 Ohms. The capacitance C _f is a filter along the bias circuit.

Схема работает следующим образом.The scheme works as follows.

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.A positive bias of + U _cm is supplied from the DC voltage source through the filter R _f C _f to the diode D ₂ , which transfers the diode D ₂ to the conducting state (the diode current is closed through the resistor R), so the reception channel is open.

При подаче видеоимпульса положительной полярности от передатчика диод Д₁ 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 Д₂, обеспечивая рассасывание заряда диода Д₂, в результате чего диод Д₂ во время импульса передатчика перейдет в непроводящее состояние, обеспечивая защиту приемника.When a video pulse of positive polarity is supplied from the transmitter, the diode D ₁ opens and the pulse passes into the antenna with a slight attenuation, determined by the losses in the conductive diode D ₁ . If you select a diode D ₁ fast enough so that it has time to turn on and off the antenna synchronously with the transmitter pulse, then in the transmission mode the transmitter voltage in reverse polarity will be applied to the diode D ₂ , ensuring the absorption of the charge of the diode D ₂ , resulting in diode D ₂ during the pulse of the transmitter will go into a non-conductive state, providing protection for the receiver.

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.Thus, this circuit does not require synchronization with the transmitter both during signal transmission to the antenna and during signal reception by the antenna, i.e. is autonomous.

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%.It should be noted that since the plane of the rupture of the channels of the transmitter and receiver during the operation of the switch is located at the junction of the channels of the transmitter and receiver, i.e. in the same plane for all frequencies of the spectrum of the pulse, this extends the working band while maintaining the initial phase relationship between all frequencies of the spectrum of the video pulse, which makes it possible to save the transmitter pulse and the received video pulse without distorting the shape, which is very important. In fact, this means expanding the working band to almost 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.The antenna switch circuit shown in FIG. 1, is designed to operate with a positive pulse of the transmitter. In the case of a negative video pulse, the polarity of the diodes and the polarity of the bias voltage must be reversed.

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).If it is necessary to further weaken the communication in the transmission mode between the transmitter and receiver channels, two diodes should be included in the receiver channel, the electric distance “l” between which is selected on the basis of the need to increase the attenuation in the required section of the operating range (or signal spectrum), as a rule, this required at the high-frequency edge of the range (Fig. 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).If in the circuit shown in FIG. 2, diode D ₁ replace with a pair of parallel on-board diodes

and

and turn on the diodes D ₂ and D ₃ counterclockwise, adding the separation capacitance C _p and resistors R in the circuit of each of the diodes to the circuit of the DC component of the diodes D ₂ and D ₃ , the circuit becomes universal, able to work both with positive and with a negative polarity of the video pulse (Fig. 3).

Экспериментальная проверка предложенной конструкции была проведена на образцах антенного переключателя, выполненного по схеме, приведенной на фиг. 2.An experimental verification of the proposed design was carried out on samples of an antenna switch made according to the circuit shown in FIG. 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.Serial beam pin diodes 2A553A-3 with a structure capacitance of 0.02 pF, a series resistance of not more than 2 Ohms at a current of 100 mA and a reverse voltage of 150 V at a current of 10 μA were used as D ₁ diodes.

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.As diodes D ₂ and D ₃ , gallium arsenide pin diodes with a structure capacitance of 0.5 pF, a series resistance of not more than 1 Ω at a current of 100 mA and a reverse voltage of 550 V at a current of 10 μA were used.

Напряжение источника смещения для диодов Д₂ и Д₃ составляло 28 В при токе потребления не более 20 мА.The voltage of the bias source for the diodes D ₂ and D ₃ was 28 V at a consumption current of not more than 20 mA.

Сопротивление R_ф=R=1 кОмResistance R _f = R = 1 kOhm

Величина емкости C_ф=1000 пФ.The value of the capacitance C _f = 1000 pF.

При этом были получены следующие электрические характеристики антенного переключателя:The following electrical characteristics of the antenna switch were obtained:

- потери в режиме передачи сигнала в антенну - 1 дБ при амплитуде входного импульса 500…1000 В,- losses in the mode of signal transmission to the antenna - 1 dB with an input pulse amplitude of 500 ... 1000 V,

- ослабление сигнала в канале приемника в режиме передачи сигнала в антенну - не менее 55 дБ,- attenuation of the signal in the channel of the receiver in the mode of signal transmission to the antenna - not less than 55 dB,

- потери сигнала в режиме приема (при передаче сигнала из антенны в приемник) - 1,5 дБ.- signal loss in reception mode (when transmitting a signal from the antenna to the receiver) - 1.5 dB.

Испытания проводились при длительности видеоимпульса 2 нс, частоте следования импульсов 1…100 кГц и амплитуде видеоимпульсов 500…1000 В.The tests were carried out with a duration of a video pulse of 2 ns, a pulse repetition rate of 1 ... 100 kHz, and an amplitude of video pulses of 500 ... 1000 V.

Полученные результаты показывают работоспособность предложенной конструкции и ее перспективность в качестве антенного переключателя для сверхкоротких видеоимпульсов.The obtained results show the operability of the proposed design and its promise as an antenna switch for ultrashort video pulses.

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.The autonomy of the proposed design should be especially emphasized, which significantly increases the reliability of the switch and the equipment as a whole due to the exclusion of synchronization of the mode of operation of the switch with the transmitter.

Claims

An ultra-wideband autonomous antenna switch for short video pulses, comprising a transmission channel, a reception channel, two counter-connected diodes, each of which is connected in series to the reception and transmission channels, an antenna channel connected to the junction point of the aforementioned diodes, a ballast resistor connected in parallel to the diodes at their point connection, characterized in that the electrical distance between each of these diodes and the connection point of the diodes with the antenna and ballast is less than a quarter the wavelength corresponding to the upper cutoff frequency of the video pulse defined by the expression

(where τ _and is the duration of the video pulse), while all of the above diodes are high-speed, and only the diode in the receiving channel is connected to a constant voltage source.