RU187238U1

RU187238U1 - Устройство приемника с рабочими частотами 220-300 ГГц

Info

Publication number: RU187238U1
Application number: RU2018119942U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Безус; Леонид Станиславович Величко; Владимир Валериевич Казачков; Дмитрий Владимирович Кантюк; Александр Владимирович Ковалев; Сергей Сергеевич Муратов; Александр Иванович Середа; Юрий Игоревич Тихов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2019-02-26

Abstract

Приемник с рабочими частотами 220-300 ГГц относится к области радиотехники крайне высоких частот и может быть использован в радиотехнических системах различного целевого назначения в том числе радиосвязи, радиолокации и радионавигации для приема сверхширокополосных (СШП) сигналов в диапазоне частот 220-300 ГГц.Технический результат заключается в расширении рабочего диапазона частот малошумящего усилителя и смесителя приемника до границ полосы 220-300 ГГц, при расширении рабочей полосы частот тракта преобразования и усиления преобразованного сигнала до границ диапазона 0,1-50 ГГц.Приемник построен по супергетеродинной схеме и содержит в своем составе приемную антенну, тракт усиления принимаемого радиочастотного сигнала с мгновенной полосой рабочих частот 220-300 ГГц, тракт преобразования сигнала, выполняющий перенос спектральных составляющих принимаемого радиочастотного сигнала в диапазон частот 0,1-50 ГГц, тракт усиления и фильтрации преобразованного сигнала с мгновенной полосой рабочих частот 0,1-50 ГГц и тракт усиления сигнала гетеродина с мгновенной полосой рабочих частот 110-150 ГГц. Сквозная (мгновенная) полоса частот приемника находится в пределах диапазона частот 0,1-50 ГГц при сквозной неравномерности амплитудно-частотной характеристики в пределах полосы 20 ГГц не более 6 дБ.

Description

1. Область техники

Полезная модель относится к области радиотехники крайне высоких частот и может быть использована в радиотехнических системах различного целевого назначения, в том числе радиосвязи, радиолокации и радионавигации для приема сверхширокополосных (СШП) сигналов в диапазоне частот 220-300 ГГц.

2. Уровень техники

Одной из основных характеристик каналов связи является величина его пропускной способности.

Существующий разрыв в величине пропускной способности локальных проводных и беспроводных каналов связи (1 Гбит/с и 56 Мбит/с соответственно) сдерживает развитие рынка беспроводных конечных пользовательских устройств и снижает сквозную эффективность сетей передачи данных MAN, LAN и PAN уровней. Разрыв в величине пропускной способности магистральных проводных и беспроводных каналов связи (100 и 10 Гбит/с соответственно) ограничивает возможность организации мобильных «радиоперемычек» и мостов. Существующие и разрабатываемые системы беспроводной связи (WiFi, WiMAX и UWB) в диапазоне частот 2,4-38 ГГц характеризуются максимальной величиной пропускной способности порядка 480 Мбит/с (WiFi, WiMAX и UWB), обусловленное максимально разрешенной полосой частот каналов в этом диапазоне 56 МГц. Полосы частот, выделенные для систем глобальной беспроводной подвижной связи в диапазонах частот 60 ГГц, 80 ГГц и 90 ГГц, составляют соответственно 7 ГГц, 2×5 ГГц и 5 ГГц, что обуславливает практическое ограничение пропускной способности каналов связи величиной 10 Гбит/с.

Решение задачи увеличения пропускной способности беспроводных каналов связи исключительно путем совершенствования методов кодирования и модуляции не обеспечивает достижения требуемого результата. Максимально доступная мгновенная полоса для систем беспроводной связи в диапазоне частот до 100 ГГц не превышает 7 ГГц (диапазон 57-64 ГГц). Практическая реализация беспроводного оборудования базового и магистрального уровня с рабочими скоростями до 100 Гбит/с при такой рабочей полосе потребует обеспечения спектральной эффективности не менее 14 бит/с/Гц. Достижение таких величин возможно только путем применения сложных методов модуляции (с эффективностью не менее 512-QAM) и представляется практически не реализуемым.

Созданные на данный момент высокоскоростные радиорелейные линии фиксированной связи обеспечивают максимальную пропускную способность порядка 250 Мбит/с/канал и 1,5 Гбит/с в групповом режиме передачи данных. При этом применяются модуляции типа АФМ-16 и ОФМ-4 (с эффективностью 4 бит/с/Гц и 2 бит/с/Гц соответственно).

Использование сложных методов кодирования и модуляции сигнала в изделиях массового потребления технически способно обеспечить скорость 10 Гбит/с, но экономически решение не оправдано. Применение квадратурных типов модуляции/демодуляции со скоростями передачи до 10 Гбит/с требует значительных аппаратных вычислительных ресурсов как для модуляции/демодуляции, так и для коррекции возникающих ошибок. Наличие в составе абонентского оборудования высокопроизводительных АЦП и ПЛИС, способных обеспечить демодуляцию сложных сигналов с требуемыми скоростями, критически увеличивает стоимость аппаратуры и ее энергопотребление.

Одним из основных направлений развития технологии беспроводной высокоскоростной связи является освоение диапазона частот свыше 100 ГГц, как наименее загруженного. В рамках этой задачи проводятся исследования по созданию широкополосных приемников и передатчиков в диапазоне частот свыше 100 ГГц.

Известен приемник высокоскоростного канала связи, обеспечивающий пространственно-селективное прием сверхширокополосных сигналов с полосой до 40 ГГц в диапазоне частот (220-260) ГГц [Lopez-Diaz D., Tessmann А., Leuther A., Wagner S., Schlechtweg M. et al. "A 240 GHz quadrature receiver and transmitter for data transmission up to 40 Gbit/s". 8^th European Microwave Integrated circuits Conference, EuMIC 2013, Proceedings: 6-8, Oct 2013. ISBN: 978-2-87487-032-3, рр. 440-443]. Приемник построен по супергетеродинной схеме с фиксированной частотой гетеродина равной 110 ГГц, содержит в своем составе умножитель частоты гетеродина, субгармонический смеситель, малошумящий усилитель и узконаправленную зеркальную антенную систему. Приемник обеспечивает усиление принятого сигнала 55 дБ при коэффициенте шума не более 10 дБ. Ширина диаграммы направленности зеркальной антенны составляет 0,3⁰. Приемник выполнен на базе комплекта МИС изготовленных по 35 нм InGaAs/lnAIAs/lnP mHEMT технологии.

Недостатками приемника являются отсутствие возможности перестройки центральной частоты рабочей полосы принимаемого сигнала, значительные масса и габаритные размеры антенной системы, а также сложность процесса наведения антенной системы на источник сигнала.

Наиболее близким по схемотехническому решению к предлагаемому приемнику является приемо-передающий модуль миллиметрового диапазона длин волн (US 006998708 B2 опубл. 14.02.2006 г). Принцип действия приемника из его состава основан на гетеродинном переносе спектральных составляющих информационного сигнала Ка диапазона частот в полосу частот L диапазона.

Приемник модуля построен на базе комплекта МИС, смонтированного на единой несущей подложке. В состав приемника входят МИС малошумящего усилителя, МИС смесителя с фазовым подавлением зеркального канала приема, МИС умножителя сигнала гетеродина, полосовые фильтры сигнала гетеродина и входного информационного сигнала.

Предложенное схемотехническое решение обеспечивает достаточное для большинства практических задач подавление зеркального канала приема и избирательность по соседнему каналу. Наличие интегрального малошумящего усилителя обеспечивает требуемую дальности системы связи в целом. Наличие в составе приемника умножителя частоты позволяет сместить центральную частоту рабочей полосы излучаемого сигнала в более высокочастотную область и обеспечивает возможность ее перестройки в пределах ±15%.

Недостатками предложенного приемника являются узкая сквозная полоса частот принимаемого сигнала, а также диапазон входных рабочих частот, расположенный ниже 100 ГГц.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к предлагаемому приемнику является приемопередающий модуль (ЕР 0231422 В1 опубл. 05.08.1992 г.), представляющий собой единый модуль, в состав которого входят приемник и передатчик, имеющие общие цепи формирования сигнала гетеродина, питания и управления. Принятый антенной системой сигнал поступает на вход малошумящего усилителя приемника по волноводной линии передачи. Конструктивно предусмотрена возможность непосредственного подключения рупорной антенны к приемопередающему модулю. Выходной разъем модуля - коаксиальный, входной - волноводный фланец.

Недостатком предложенного приемника являются узкая сквозная полоса частот принимаемого сигнала и отсутствие возможности перестройки центральной частоты полосы принимаемого сигнала.

3. Раскрытие полезной модели

Технической задачей полезной модели является разработка приемника СШП сигналов, обеспечивающего возможность пространственно селективного приема энергии спектральных составляющих сверхширокополосных сигналов с мгновенной полосой до 49,9 ГГц в диапазоне частот (220-300) ГГц.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, заключается в расширении рабочего диапазона частот приемной антенны, малошумящего усилителя и смесителя приемника до границ полосы (220-300) ГГц, при расширении рабочей полосы частот тракта преобразования и усиления преобразованного сигнала до границ диапазона (0,1-50) ГГц.

Для достижения технического результата предлагается использовать в составе тракта усиления и преобразования сигналов принимаемых радиочастот функциональные элементы и узлы с мгновенной рабочей полосой не менее (220-300) ГГц, а в составе тракта промежуточной частоты приемника -с мгновенной рабочей полосой (0,1-50) ГГц.

Сущность полезной модели приемника состоит в том, что приемная рупорная антенна с диапазоном рабочих частот (220-300) ГГц подключена ко входу модуля малошумящего усилителя с диапазоном рабочих частот (220-300) ГГц, выход малошумящего усилителя подключен ко входу модуля субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по входу радиосигнала (220-300) ГГц отрезком волноводной линии передачи с диапазоном рабочих частот (220-300) ГГц, выход сигнала ПЧ субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по выходу ПЧ (0,1-80) ГГц подключен кабельной перемычкой с диапазоном рабочих частот (0,1-67) ГГц ко входу модуля усилителя ПЧ с диапазоном рабочих частот (0,1-53) ГГц, выход модуля усилителя ПЧ является выходом приемника, вход сигнала гетеродина субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по сигналу гетеродина (110-150) ГГц соединен отрезком волноводной линии с диапазоном рабочих частот (110-170) ГГц с выходом модуля усилителя сигнала гетеродина с диапазоном рабочих частот (110-150) ГГц, вход усилителя сигнала гетеродина соединен с первым фланцем волноводной линии с диапазоном рабочих частот (110-170) ГГц, второй фланец которой является входом сигнала гетеродина приемника.

Сочетание отличительных признаков и свойств предложенного приемника СШП сигнала в диапазоне частот 220-300 ГГц из доступной литературы неизвестны, поэтому она соответствует критерию «новизна».

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого приемника.

На фиг. 2 изображен внешний вид конструкции заявляемого приемника.

Принятый рупорной антенной 102 приемника радиочастотный сигнал поступает на вход 105 модуля МШУ 108. Тип сигнальных соединителей рупорной антенны и модуля МШУ - волноводный фланцевый. Диапазон рабочих частот рупорной антенны 102 расположен в полосе (220-300) ГГц. Узел усилителя 116 модуля МШУ 108 выполнен на базе InP НЕМТ МИС с диапазоном рабочих частот (220-300) ГГц. Поступивший на входной соединитель 105 модуля МШУ 108 радиочастотный сигнал транслируется на вход МИС МШУ 116 посредством волноводно-микрополоскового перехода 110 с диапазоном рабочих частот (200-320) ГГц. Сигнал с выхода МИС МШУ 116 транслируется на выходной волноводный разъем 124 модуля МШУ 108 посредством микрополосково-волноводного перехода 120 с диапазоном рабочих частот (200-320) ГГц. Усиленный радиочастотный сигнал с выхода 124 модуля МШУ 108 поступает на радиочастотный вход 122 модуля субгармонического смесителя (СГСМ) 103 по отрезку волноводной линии связи 125 с диапазоном рабочих частот (200-320) ГГц. Диапазон рабочих частот модуля СГСМ 103 по радиочастотному входу - (220-300) ГГц.

Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта усиления радиочастотного сигнала приемника находится в пределах диапазона частот (220-300) ГГц и не приводит к потере мощности сигнала в указанном диапазоне частот.

Внешний сигнал гетеродина поступает на волноводный соединитель 123 модуля СГСМ по отрезку волноводной линии 126, соединенному с входным волноводным разъемом приемника "ВХОД ГЕТ". Узел буферного усилителя гетеродина 114 выполнен на базе InP НЕМТ МИС с диапазоном рабочих частот (100-155) ГГц. Поступивший на входной разъем 123 модуля сигнал гетеродина транслируется на вход МИС узла буферного усилителя 114 посредством волноводно-микрополоскового перехода 119 с диапазоном рабочих частот (105-175) ГГц. Усиленный сигнал гетеродина с выхода МИС узла буферного усилителя 114 поступает на вход сигнала гетеродина узла смесителя 111, выполненного на базе InP НЕМТ МИС, с диапазоном рабочих частот по входу сигнала гетеродина (110-150) ГГц. Электрическую связь обеспечивается посредством микрополосково-копланарного перехода 112 с диапазоном рабочих частот (100-180) ГГц. Конструктивно узел перехода 112 выполнен в виде МИС, содержащей пассивные трансформирующие и согласующие цепи.

Таким образом, сквозная полоса пропускания тракта усиления сигнала гетеродина приемника определяется диапазоном рабочих частот входа сигнала гетеродина узла 111, находится в пределах диапазона частот (110-150) ГГц и не приводит к потере мощности сигнала гетеродина в указанном диапазоне частот.

Преобразованный радиочастотный сигнал с выхода узла смесителя 111 с диапазоном рабочих частот по выходному сигналу (0,1-80) ГГц поступает на выход 101 модуля СГСМ 103 посредством копланарно-микрополоскового перехода 106 с диапазоном рабочих частот (0,1-80) ГГц. Конструктивно узел перехода 106 выполнен в виде МИС, содержащей пассивные трансформирующие и согласующие цепи. Сигнал с выхода 101 модуля СГСМ 103 поступает на вход 104 модуля усилителя промежуточной частоты (УПЧ) 107 по кабельной перемычке 100 с диапазоном рабочих частот (0-67 ГГц). В состав модуля УПЧ 107 входят функциональные узлы фильтра низких частот 109, усилителя ПЧ 113 и выходного фильтра гармоник 109. Верхняя граница полосы пропускания фильтра 109 равна 53 ГГц, рабочая полоса частот усилителя ПЧ 113, выполненного на базе GaAs МИС, находится в пределах (0,1-53) ГГц, фильтр гармоник 117 имеет полосу пропускания (0,1-53) ГГц. Входной и выходной коаксиальные соединители модуля УПЧ 107 обеспечивают согласованную трансляцию сигнала к внутренним сигнальным цепям модуля в диапазоне частот (0-67) ГГц. В результате прохождения модуля УПЧ 107 преобразованный информационный сигнал усиливается на 20 дБ, а его полоса ограничивается по уровню минус 3 дБ диапазоном частот 0,1-50 ГГц.

Таким образом, сквозная полоса рабочих частот тракта преобразования и усиления преобразованного сигнала приемника находится в пределах диапазона частот (0,1-50) ГГц и не приводит к потере мощности спектральных составляющих информационного сигнала в указанном диапазоне частот. Неравномерность АЧХ тракта усиления и фильтрации сигнала ПЧ приемника в полосе частот (0,1-50) ГГц не превышает 3 дБ.

Сквозная (мгновенная) полоса рабочих частот приемника определяется наименьшей полосой пропускания входящих в его состав трактов и находится в пределах диапазона частот (0,1-50) ГГц при неравномерности АЧХ не более 6 дБ в пределах полосы 20 ГГц.

Claims

Устройство приемника с рабочими частотами 220-300 ГГц, характеризующееся тем, что приемная рупорная антенна с диапазоном рабочих частот 220-300 ГГц подключена ко входу модуля малошумящего усилителя с диапазоном рабочих частот 220-300 ГГц, выход малошумящего усилителя подключен ко входу модуля субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по входу радиосигнала 220-300 ГГц отрезком волноводной линии передачи с диапазоном рабочих частот 220-300 ГГц, выход сигнала ПЧ субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по выходу ПЧ 0,1-80 ГГц подключен кабельной перемычкой с диапазоном рабочих частот 0,1-67 ГГц ко входу модуля усилителя промежуточной частоты с диапазоном рабочих частот 0,1-50 ГГц, выход модуля усилителя ПЧ является выходом приемника, вход сигнала гетеродина субгармонического смесителя с диапазоном рабочих частот по сигналу гетеродина 110-150 ГГц соединен отрезком волноводной линии с диапазоном рабочих частот 110-170 ГГц с выходом модуля усилителя сигнала гетеродина с диапазоном рабочих частот 110-150 ГГц, вход усилителя сигнала гетеродина соединен с первым фланцем волноводной линии с диапазоном рабочих частот 110-170 ГГц, второй фланец которой является входом сигнала гетеродина приемника.