высокостабильный импульсный свч-передатчик

Формула изобретения

1. Высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик, содержащий модулятор на первом СВЧ-транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, собственно автогенератор на втором СВЧ-транзисторе, включенном по схеме с общей базой, отличающийся тем, что он содержит первый и второй источники питания для питания модулятора и автогенератора соответственно, диэлектрический резонатор, включенный в цепь обратной связи автогенератора, причем модулятор содержит в цепи коллектора два резистора, средняя точка которых через конденсатор и четвертьволновой дроссель соединена с эмиттером второго СВЧ-транзистора, база первого транзистора является входом СВЧ-передатчика, а коллектор второго транзистора - его выходом.

2. Высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик по п. 1, отличающийся тем, что автогенератор содержит первый и второй четвертьволновые микрополосковые дроссели, включенные последовательно в цепи эмиттера и коллектора соответственно, третий и четвертый менее чем четвертьволновые отрезки микрополосковой линии (МПЛ), выполняющие функции емкости и индуктивности соответственно; эмиттерный и коллекторный отрезки (МПЛ) для задания рабочей частоты, величины и фазы обратной связи и диэлектрический резонатор, включенный между этими отрезками.

3. Высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик по п. 1, отличающийся тем, что первый и второй источники питания заблокированы первым и вторым блокировочными конденсаторами соответственно, выход автогенератора через разделительный конденсатор соединен с нагрузкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиопередающим устройствам, и может быть использовано в качестве выходного каскада импульсных РЛС или в качестве модулятора.

Известен передатчик с импульсной модуляцией автогенератора, в котором имеются два каскада: мощный генератор СВЧ, работающий в импульсном режиме и усилитель видеоимпульсов (см. Радиопередающие устройства, под. ред. В.В. Шахгильдяна. М.: Связь, 1980, с.294-295).

Недостатками данного передатчика являются низкая стабильность частоты и возможность возникновения шумов в каналах, обусловленных нестабильностью времени установления колебаний в автогенераторе.

Известен модулятор импульсного передатчика РЛС, см. патент РФ 2024187, который содержит высоковольтный полевой транзистор со статической индукцией (СИТ), затвор которого подключен через первый ключ и последовательно с ним соединенный первый резистор к положительной шине питания, а через второй ключ и параллельно подключенный к нему второй резистор - к отрицательной шине питания, исток подключен к общей шине питания, сток - к нагрузке. Управляющий вход первого ключа подключен к шине запуска, а управляющий вход второго ключа - к выходу формирователя запирающего импульса, вход которого подключен к шине запуска. С целью повышения быстродействия введена цепь нелинейной ООС, состоящая из третьего резистора, конденсатора, диода, причем катод диода подключен к конденсатору, другой выход которого подключен к затвору и к третьему резистору, другой выход которого подключен к общему проводу. Ограничение прямого тока затвора уменьшает накопленный заряд и время включения ключа.

Недостатком данного устройства является невозможность получения ультраузких импульсов порядка 100 нс, а также недостаточная стабильность выдерживания параметров при изменении температуры окружающей среды.

Известен транзисторный автогенератор (АГ) СВЧ на диэлектрическом резонаторе (ДР), в котором ДР включен в линию вывода мощности, что позволяет использовать обычный нестабилизированный АГ, частота колебаний которого стабилизируется благодаря явлению "затягивания частоты" (см. Широкополосные усилители и генератор ВЧ и СВЧ. Межвузовский сборник научных трудов, Новосибирск, 1985, с.145-149 - прототип).

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность его использования для формирования мощных очень коротких по длительности и стабильных по частоте импульсов с СВЧ заполнением, т.к. при импульсном режиме модуляции будет существовать процесс установления стабильных колебаний СВЧ, т.е. некоторое время в начале формирования импульса частота генерируемых АГ-колебаний будет изменяться.

Технической задачей изобретения является повышение стабильности частоты АГ за счет уменьшения времени установления частоты, также подавления паразитных гармоник на его выходе.

Для решения поставленной задачи предлагается высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик, содержащий модулятор на первом СВЧ-транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, собственно автогенератор на втором СВЧ-транзисторе, включенном по схеме с общей базой, отличающийся тем, что он содержит первый и второй источник питания: первый - для питания модулятора, второй - автогенератора, также содержит диэлектрический резонатор, включенный в цепь обратной связи автогенератора, база первого транзистора является входом СВЧ-передатчика, а коллектор второго транзистора - его выходом; модулятор отличается тем, что содержит в цепи коллектора два резистора, средняя точка которых через конденсатор и четвертьволновой МПЛ-дроссель соединена с эмиттером второго СВЧ-транзистора; автогенератор отличается тем, что содержит первый и второй четвертьволновые МПЛ-дроссели, включенные последовательно в цепь эмиттера и коллектора соответственно; третий и четвертый менее чем четвертьволновые отрезки МПЛ выполняют функции емкости и индуктивности соответственно; эмиттерный и коллекторный отрезки МПЛ выполняют функции задания рабочей частоты, величины и фазы обратной связи, диэлектрический резонатор включен между этими отрезками; СВЧ-передатчик отличается тем, что первый и второй источники питания заблокированы первым и вторым конденсаторами соответственно, выход автогенератора через разделительный конденсатор соединен с нагрузкой.

На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема СВЧ-передатчика, на фиг.2 - диаграмма токов и напряжений в наиболее характерных точках схемы, на фиг.3 - амплитудно-частотная и фазовая характеристики ДР, на которых изображено: VT1 и VT2 - первый и второй СВЧ-транзисторы соответственно, R1 - резистор в цепи базы первого СВЧ-транзистора, R2 и R3 - его коллекторная нагрузка, R4 - резистор в цепи эмиттера второго СВЧ-транзистора, Rн - нагрузка СВЧ-передатчика, См -модулирующий конденсатор, Ср - разделительный конденсатор, Сбл1 и Сбл2 - блокировочные конденсаторы в цепи питания модулятора и автогенератора соответственно, W1 и W2 - /4 блокировочные дроссели на МПЛ-отрезках, W3 и W4 - менее чем /4 блокировочные фильтры с распределенными параметрами на МПЛ-отрезках, Wэ и Wк - МПЛ-отрезки, определяющие коэффициент обратной связи АГ, Wдр - диэлектрический резонатор, +Ем - источник питания модулятора, +Ек - источник питания АГ, Rн - эквивалентная нагрузка 50 Ом.

Вход передатчика соединен с базой СВЧ-транзистора VT1 и через резистор R1 с нулем вольт (0 В), как и эмиттер VT1. Коллектор VT1 через резисторы R2 и R3 соединен с источником питания +Ем и через Сбл1 с 0 В. Средняя точка резисторов R2 и R3 через конденсатор См соединена: с резистором R4, второй конец которого соединен с нулем вольт, с блокировочным фильтром W3 и через /4-дроссель с эмиттером VT2, к которому также присоединен МПЛ-отрезок Wэ, база VT2 соединена с 0 В, коллектор - с МПЛ-отрезком Wk и /4-дроссель с W4 и с блокировочным фильтром W4 также с источником +Ек, а через Сбл2 - с 0 В. МПЛ-отрезок Wк через МПЛ-отрезок Wcвязи и развязывающий конденсатор Ср соединен с нагрузкой передатчика Rн=50 Ом. Между Wэ и Wк помещен Wдp через диэлектрический резонатор.

Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих радиоэлементах: VT1 и VT2 - СВЧ-транзисторы типа транзистор 2Т975А (Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник Б.А. Бородин, В. М. Ломанин и др., под ред. А.В. Голомедова. - М.: Радио и связь, 1985-560 с, с.503; транзистор 2Т930Б - то же, с.450).

Конденсаторы безвыводные типа К 10-47 "В" (Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И.Чистякова. М.: Радио и связь, 1990, с.403).

Микрополосковые линии (МПЛ). (Справочник по элементам полосковой техники, под ред. А.Л.Фильдштейна. М.: Связь, 1979, с.20).

Резисторы типа Р1-12. (Справочная книга ралиолюбителя-конструктора, под ред. Н.И.Чистякова. М.: Радио и связь, 1990, с.381).

СВЧ-передатчик работает следующим образом. В исходном состоянии (при отсутствии запускающего импульса) транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, закрыт, а конденсатор См заряжен до максимальной величины (фиг.2 "б" и фиг.2 "в" - время до t1). С приходом модулирующего импульса (фиг.2 "б", время t1 - t2) конденсатор См начинает разряжаться через открытый транзистор VT2 (фиг.2 "г", время t1 - t2), форсируя модулирующий импульс тока для эмиттерной цепи непосредственно АГ. Напряжение эмиттер-база транзистора VT2 скачком меняет свою полярность до минус 0,7 В (фиг.2 "д", время t1 - tl"). В этот момент (время tl) начинается генерация СВЧ-колебаний на частоте DP. По окончании входного модулирующего сигнала VT1 закрывается, ток разряда конденсатора См прекращается, начинается его заряд от +Ем через резисторы R2 и R3 (фиг. 2 "г", время t2- t3). Выходной радиоимпульс (фиг.2 "а") СВЧ-колебаний через развязывающий конденсатор Ср подается на выходную постоянную нагрузку 50 Ом. Колебательная система АГ состоит из колебательного контура с распределенными параметрами на МПЛ в цепи эмиттера и колебательного контура, образованного на МПЛ-эмиттера Wэ, МПЛ-коллектора wk и связанного с ними диэлектрического резонатора Wдp. Питание от +Еп на VT2 подается через /4 МПЛ-дроссели W1 и W2 с высоким волновым сопротивлением. Положительная обратная связь в АГ реализуется передачей СВЧ-энергии колебаний в диэлектрическом резонаторе Wдр на частоте собственного резонанса ДР. Использование в качестве элемента обратной связи ДР позволяет получать в предлагаемом АГ мощные и очень короткие (до 100 нСек) стабильные по частоте импульсы с СВЧ-заполнением. Явление (затягивания частоты( в предлагаемом АГ сведено до min, т. к. генерирование колебаний СВЧ привязано к собственной резонансной частоте ДР. Это позволяет формировать короткие мощные импульсы СВЧ-колебаний, стабильные во времени.

Условия возбуждения и существования автогенератора определяются балансом фаз и балансом амплитуд, поясним это на рассмотрении амплитудно-частотной и фазовой характеристик, показанных на фиг.2. Т.к. добротность ДР на порядок или больше, чем характеристики других элементов АГ, то он и определяет основную частоту и формулу колебаний. Генератор работает на любом склоне АЧХ, но не ниже уровня Кос min, т.к. ниже этого уровня колебания не возникают. Обобщенная характеристика Кос складывается из: собственной частоты резонатора ДР, частоты МПЛ, которые имеют собственный резонаторный контур с частотой, близкой частоте ДР, но не равной, и частоты паразитных емкостей ВЧ-транзистора и других распределенных емкостей, индуктивностей и активных элементов. Баланс фаз определяется следующим выражением:

_{транзистора}+_{нагрузки}+_ос = 0, см.фиг.2.

Баланс амплитуд определяется следующим выражением:

SсpКосZoc=1,

где Scp - средняя крутизна, Кос - коэффициент обратной связи, Zoc - комплексный коэффициент обратной связи, который, в свою очередь равен где - потери в контуре, Q - добротность контура, L и С - эквивалентные значения контура.