СПОСОБ КОММУТАЦИИ СВЧ-ЦЕПЕЙ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СООБЩЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ ИМПУЛЬСНО-ПАЧЕЧНЫЕ СИГНАЛЫ Российский патент 1997 года по МПК H01P1/15 

Изобретение относится к области СВЧ-техники, а именно к способам коммутации СВЧ-цепей передачи с помощью полупроводниковых коммутаторов, выполненных на p i n-диодах.

Известен способ коммутации СВЧ-цепей передачи информационных сообщений, содержащих импульсно-пачечные сигналы, заключающийся в передаче входного СВЧ-сигнала к определенному выходу с помощью шунтирующих четвертьволновых отрезков линии путем отпирания соответствующих одних p i n-диодов, коммутирующих СВЧ-сигнал, и запирания других p i n-диодов. Данный способ принят за прототип предложенному изобретению.

В основе известного способа коммутации импульсно-пачечных СВЧ-сигналов лежит формирование относительно длинного сигнала, соответствующего базе импульсно-пачечного сигнала. Этим сигналом запускается схема управления, которая и открывает в нужной комбинации нормально запертые p i n-диоды на время этого базового сигнала.

В реальных системах при передаче значительного объема информации база импульсно-пачечного сигнала обычно много больше длительности и отдельного радиоимпульса и суммарной длительности радиоимпульсов на этой базе. Так, типичная длительность радиоимпульса составляет около 1 мкс, длительность базы несколько сотен мкс, например 500 мкс, количество импульсов на базе колеблется от двух до 50. Таким образом, прямой ток через p i n-диоды протекает в течение времени в 10 250 раз больше, чем это необходимо для функционирования схемы.

Требования к длительности выключения p i n-диодов схемой управления в известном способе коммутации определяются максимально допустимым временем парализации системы при переходе из активного режима передачи импульсного СВЧ-сигнала к режиму ожидания следующей пачки импульсов.

Таким образом, недостатком прототипа является повышенное энергопотребление, и, кроме того, известный способ требует для своей реализации специальных схем, формирующих базовый импульс, управляющий p i - n-диодами, синхронно с передаваемой пачкой.

Техническим результатом, на который направлено изобретение, является уменьшение тока потребления и упрощение аппаратурной реализации способа при сохранении остальных технических характеристик.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе коммутации СВЧ-цепей передачи информационных сообщений, содержащих импульсно-пачечные сигналы, заключающемся в отпирании в нужной комбинации p i n-диодов в начале прохождения пачки импульсов и гарантированном их запирании после завершения прохождения пачки импульсов, для отпирания p i n-диодов используют сигналы управления модулятором передатчика, осуществляя их подачу во время каждого передаваемого радиоимпульса, с обеспечением возможности запирания p i n-диодов в пределах пачки после отдельно отстоящих или несколько близко расположенных импульсов путем рассасывания накопленного заряда p i n-диодов.

Предлагаемый способ коммутации импульсно-пачечных СВЧ-сигналов предполагает подачу в схему управления импульсов управления модулятором передатчика. Таким образом отпирающий сигнал поступает на p i n-диоды на каждый импульс передаваемого СВЧ-сигнала. Это делает ненужным формирование вспомогательного базового импульса и ведет к упрощению реализации схемы управления.

Общее время включенного состояния диодов на базовом интервале сокращается до величины
n(t_и + t_выкл. t_вкл.),
где n число импульсов,
t_и длительность радиоимпульса,
t_выкл. время выключения диодов,
t_вкл. время включения диодов,
Если в пачке имеются близко расположенные импульсы, то общее время включенного состояния диодов окажется еще меньше.

Примем для количественной оценки n 2-50, t_и 1 мкс, t_вкл 0,2 мкс, t_выкл. 2 мкс, t_базы 500 мкс. Общее время протекания прямого тока диодов составит 5,6 140 мкс. Таким образом, выигрыш по потреблению прямого тока диодов составит в сравнении с известным способом коммутации от 3,5 до 89 раз.

При реализации схемы управления нет необходимости добиваться очень коротких времен рассасывания заряда в диодах, поскольку состояние диодов внутри интервала сообщения не влияет на передачу информации, а их запирание служит целям экономии питания.

Следует отметить, что все признаки предложенного способа, представленные в формуле изобретения, связаны между собой настолько, что образуют неразрывную совокупность взаимосвязанных действий, сообщающую предложенному техническому решению новые, неожиданные свойства, поэтому было бы неправомерным расчленять эту совокупность на отдельные признаки с целью противопоставления им известных из других технических решений.

Так, например, использование для отпирания p i n-диодов сигналов управления модулятором передатчика (с подачей их непосредственно или через буферное устройство) и обеспечение возможности запирания p i n-диодов в пределах пачки после отдельно стоящих или нескольких близко расположенных импульсов путем рассасывания ("мягкого", не форсированного) накопленного заряда p i n-диодов за счет цепей схемы управления дали неожиданный эффект с увеличением количества близко расположенных импульсов в пачке общее время включенного состояния диодов уменьшается (и соответственно снижается энергопотребление). Также, оригинальная подача импульсов управления на p i - n-диоды (непосредственно или через буферное устройство) со схемы управления модулятором передатчика позволила существенно упростить схему управления p i n-диодами. При этом каждый признак способа проявляет новые свойства как сам по себе, так и в совокупности с другими признаками.

Поэтому при анализе предлагаемого нами изобретения на соответствие требованию изобретательского уровня было установлено следующее.

Все указанные отличительные признаки находятся в неразрывном функциональном единстве между собой, а также с остальными признаками и расчленение способа на отдельные функциональные части (действия) с целью противопоставления им таких же известных частей было бы неправомерным в связи с тем, что любая каждая часть при вычленении из совокупности существенных признаков, представленной в формуле изобретения, потеряла бы ряд своих свойств.

Данное изобретение не следует явным образом из известного уровня техники, поскольку из последнего не выявляется влияние предписываемых этим изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата.

Авторам не известны технические решения, содержащие отличительные признаки, которые проявляли бы одновременно несколько отмеченных свойств и выполняли бы одновременно ряд функций.

Отмеченное выше позволяет сделать вывод о соответствии предложенного изобретения требованию изобретательского уровня.

На фиг.1-4 представлены в качестве примеров схемы устройств, позволяющих осуществить предложенный способ коммутации; на фиг.5 приведен пример схемы управления p i n-диодами, коммутирующими сигнал в указанных схемах; на фиг.6 показано примерное расположение излучаемых радиоимпульсов на базе передаваемого сообщения и соответствующих им импульсов токов p i n-диодов, коммутирующих сигнал в соответствии со схемами на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена схема антенного переключателя прием передача, который содержит 1 передатчик, 2 антенну, 3 приемник, 4 p i n-диод блокировки передающего трака, 5, 6 p i n-диоды блокировки приемного тракта, 7, 8, 9, 10 разделительные конденсаторы для разделения цепей смещения диодов, 11, 12, 13 дроссели для разделения СВЧ-цепей и цепей смещения, 14 управляющий диодами источник сигнала смещения (I_д ток диодов), 15, 16, 17, 18 отрезки линии длиной λ/4/4, выполняющие функции инверторов.

Типовой режим такого переключателя включает относительно длинный период подключения антенны к приемнику и относительно короткий период подключения антенны к передатчику для передачи сообщения в виде пачки радиоимпульсов с достаточно высокой мощностью в импульсе. Пачка радиоимпульсов, как правило, крайне неоднородна. Отдельные импульсы и группы импульсов могут быть разделены относительно большими промежутками в пределах пачки.

Предложенный способ может быть осуществлен устройством на фиг.1 следующим образом.

В режиме приема все три p i n-диода 4, 5, 6 заперты, при этом тракт приемника 3 открыт для прохождения сигнала из антенны 2. Тракт передатчика 1 в режиме приема заблокирован диодом 4, который через отрезок длины l/4 18 создает короткое замыкание в тракте передатчика 1. Это короткое замыкание через отрезок линии λ/4 15 снова возвращает сопротивление тракта передатчика в сечении "B" к холостому ходу. В результате сигнал из антенны 2 беспрепятственно проходит в тракт приемника.

Для переключения в режим передачи все диоды 4, 5, 6 смещаются в прямом направлении. Этот процесс может быть без труда сделан достаточно коротким даже для относительно высоковольтных мощных p i n-диодов. Так, для диода типа 2А536 В-6 при переключаемом уровне мощности порядка 1 кВт в импульсе время включения диодов составляет порядка 0,1 мкс. В результате включения прямого тока через диоды запирается канал приема, поскольку диоды 5 и 6 имеют во включенном состоянии очень малое сопротивление. Короткое замыкание в тракте приема трансформируется к холостому ходу в точке B через отрезок линии λ/4 16. Короткое замыкание, создаваемое диодом 4, трансформируется через отрезок времени λ/4 18 в холостой ход, что обеспечивает беспрепятственное прохождение мощного сигнала передатчика в антенну.

В соответствии с идеей изобретения смещение p i n-диодов в прямом направлении проводится каждый раз, когда вырабатывается очередной радиоимпульс, см. фиг.6, где
P мощность излучения,
I_g ток p i n-диодов, на которые подается отпирающий ток положительной полярности, токи отрицательной полярности I₁ соответствуют рассасыванию накопленного заряда в i-области диодов,
t₁-t₂ база передаваемого сообщения.

При этом нет нужды заботиться о том, успел ли рассосаться заряд неосновных носителей, накопленный в диоде во время прохождения предыдущего импульса. Если расстояние между соседними импульсами превысит время восстановления обратного сопротивления диодов, то они будут на некоторое время запираться, что и создает полезный эффект экономии прямого тока диода.

Упрощение аппаратуры состоит в том, что отпадает необходимость формировать специальный сигнал, по длительности соответствующий базе сообщения.

На фиг. 2 показана схема антенного переключателя для системы самолетного ответчика с двумя равноправными антеннами. Данный переключатель содержит 1 - передатчик, 2,21 антенны, 3, 19 приемники, 4, 5, 6, 20, 22, 23 p i - n-диоды, 15, 16, 17, 18, 24, 25, 26, 27, 28, 29 инверторы полярных сопротивлений, например, в виде λ/4 отрезков передающей линии.

Разделительные конденсаторы и дроссели на схеме не показаны, но предполагаются.

Режим приема осуществляется двумя приемниками 3, 19, подключенными каждый к своей антенне 2, 21. Передача осуществляется от одного передатчика 1 в ту антенну, которая в наибольшей степени соответствует сложившейся тактической обстановке. В таком устройстве управление диодами 4-6, 20-23 проводится в соответствии с таблицей.

Знак "+" означает включение диода на каждый радиоимпульс передаваемого сообщения. Знак "-" означает, что диод остается запертым. Режим приема в паузе между сообщениями по-прежнему соответствует постоянно запертым p i - n-диодам.

В соответствии с основной идеей предложенного способа коммутации включенное состояние диодов в соответствии с таблицей обеспечивается лишь на интервалы времени, соответствующие каждому отдельно взятому передаваемому радиоимпульсу. В паузе между радиоимпульсами на интервале передаваемого сообщения предлагаемый способ коммутации допускает возможность как открытого, так и закрытого состояния диодов, однако закрытое состояние даже при отсутствии специальных мер по укорочению времени рассасывания накопленного заряда достигается в течение большей части интервала сообщения, что и создает полезные эффекты экономии потребления тока и упрощения управляющей схемы. В паузе между сообщениями обеспечивается гарантированное запертое состояние всех p i n-диодов.

Может возникнуть сомнение в том, что задача включения p i n-диодов на каждый передаваемый радиоимпульс требует усложнения управляющей схемы в связи с необходимостью формирования соответствующих управляющих сигналов, однако это не так. В системе уже имеются необходимые импульсные сигналы, которые управляют передатчиком. Те же сигналы без какой-либо дополнительной обработки должны быть использованы для предлагаемой коммутации p i n-диодов. Для реализации системы сигналов в соответствии с таблицей вводится лишь блокировка управляющих ключей в соответствии с текущей программой.

На фиг. 3 представлен еще один вариант схемы коммутации по предложенному способу из заявки РСТ 87/00696 от 29.01.87 г. (позиции соответствуют с фиг. 8 патента). Если вход 1 переключателя соединить с передатчиком, вход 2 переключателя соединить с антенной, а вход 3 переключателя соединить с приемником, то схема может быть использована как переключатель прием - передача и к ней можно применить предложенный способ коммутации. Нормально запертые диоды 46 и 56 (обозначения из описания патента) включаются импульсами управления через дроссель 48, причем расстановка и длительность отпирающих импульсов управления в точности соответствуют импульсам управления модулятором передатчика.

Для многочисленных систем приемоответчиков такая система подачи управляющих сигналов на p i n-диоды обеспечивает минимально возможное суммарное время включенного состояния диодов, что обеспечивает экономию потребления.

По сравнению со схемой на фиг. 1 последняя схема имеет более простую топологию при микрополосковой реализации, однако ни один из электродов диода 46 не соединен с корпусом. Для относительно мощных p i n-диодов, используемых при уровнях мощности до 1-2 кВт в импульсе, это обстоятельство вызывает значительные конструктивные трудности.

Активный коммутирующий СВЧ-элемент (АКСЭ) (термин заявки РСТ 87/00696) из предыдущего примера позволяет реализовать схему с двумя антеннами, функционально соответствующую схеме на фиг. 2. Коммутатор, схема которого показана на фиг. 4, содержит 1 мощный передатчик, 2, 21 антенны А1 и А2, 3, 19 приемники, 4, 5 активные коммутирующие СВЧ-элементы АКСЭ1, АКСЭ2, 6, 20 p i n-диоды, обеспечивающие дополнительную защиту приемников в режиме передачи, 9, 10 λ/4 отрезки линии передачи, 11, 12, 13 дроссели для подачи смещения, 7, 8 разделительные конденсаторы, 14, 30 источники сигнала смещения p i n-диодами.

Активный коммутирующий СВЧ-элемент выделен пунктиром.

В паузе между периодами передачи сообщений все p i n-диоды находятся в запертом состоянии, при этом осуществляется режим приема. Сигнал с каждой антенны 2 и 21 беспрепятственно поступает в свой приемник 3, 19 соответственно. После получения запроса и выработки управляющих сигналов запуска передатчика 1 одновременно открываются диоды правого канала в зависимости от того, в какую антенну принято решение передать ответное сообщение. Если передача происходит в антенну 2, то отпирающие импульсы поступают в цепь 14 "Смещ. 1", открываются диоды 4 (АКСЭ1) и 6, а диоды противоположной ветви, т. е. диоды 5 (АКСЭ2) и 20, остаются запертыми. При этом сигнал передатчика беспрепятственно поступает в антенну 2, а приемник 3 оказывается заблокированным. После окончания каждого отдельно взятого радиоимпульса передачи диоды первой ветви остаются в том же открытом состоянии на время рассасывания накопленного заряда в диодах. Вне зависимости от скорости этого процесса к следующему передаваемому радиоимпульсу те же диоды будут вновь открыты управляющим сигналом, совпадающим с запуском модулятора передатчика 1.

Возврат к экономичному режиму приема при запертых диодах обеих ветвей будет достигаться не только в паузе между сообщениями, но и на интервале передачи сообщения после отдельно стоящих радиоимпульсов или после группы близко расположенных радиоимпульсов. Это свойство предлагаемого способа коммутации будет сохраняться при разных сложным образом меняющихся расстановках информационных радиоимпульсов по интервалу передачи сообщения.

При передаче сообщения в правую ветвь, т.е. в антенну 21, отпирающие импульсы поступают на диоды 5 (АКСЭ2) и 20, а диоды левой ветви (диоды 4 (АКСЭ1) и 6) должны оставаться в запертом состоянии. Все процессы передачи происходят аналогично вышеописанному.

На фиг. 5 показан пример схемы цепи смещения p i n-диодов, обеспечивающей включение диодов управляющими импульсами модулятора передатчика U_m и рассасывание заряда, накопленного в базе p i n-диодов, током I₁ от источника запирающего смещения, используемой в схемах, приведенных на фиг. 1-4.

В нормальном состоянии при отсутствии возбуждающего сигнала оба транзистора VT1 и VT2 запреты, запрет напряжением 45 В и управляемый p i - n-диод VD1.

При воздействии управляющего сигнала U_M от модулятора передатчика оба транзистора открываются. Ток, отпирающий p i n-диод, определяется токозадающим резистором R2. Типичная величина прямого тока для p i n-диода типа 2А536А-6 составляет 30 мА. После окончания возбуждающего импульса оба транзистора запираются, однако управляемый p i n-диод остается в открытом состоянии, пока не рассасется накопленный в базе заряд. Процесс рассасывания определяется током I₁, который лимитирован токозадающим резистором R1. Выбор рассасывающегося тока в заявляемом способе коммутации не является определяющим. В целях экономии потребления этот ток в практических случаях составляет 5 мА, что обеспечивает время рассасывания в пределах 1,5-2 мкс. Дальнейшее снижение тока рассасывания отграничено заданным системным временем парализации приемника после окончания передачи сообщения.

(Для сравнения, следует отметить, что в типовой схеме управления управляющий сигнал на базу VT1 поступает от блока формирования сигнала базы, который значительно усложняет аппаратурную реализацию коммутатора).

Изобретение относится к области СВЧ-техники, а именно к способам коммутации СВЧ-цепей передачи с помощью полупроводниковых коммутаторов, выполненных на p - i - n-диодах. Техническим результатом, на который направлено изобретение, является уменьшение тока потребления и упрощение аппаратурной реализации. Указанный технический результат достигается тем, что в способе коммутации СВЧ-цепей передачи информационных сообщений, содержащих импульсно-пачечные сигналы, заключающемся в отпирании в нужной комбинации p - i - n-диодов, коммутирующих СВЧ-сигнал, в начале прохождения пачки импульсов и гарантированном их запирании после завершения прохождения пачки импульсов, для отпирания p - i - n-диодов используют сигналы управления модулятором передатчика, осуществляя их подачу во время каждого передаваемого радиоимпульса, обеспечивая при этом возможность запирания p - i - n-диодов в пределах пачки после отдельно стоящих или нескольких близко расположенных импульсов путем рассасывания накопленного заряда в p - i - n-диодах. 1 табл., 6 ил.

Способ коммутации СВЧ-цепей передачи информационных сообщений, содержащих импульсно-пачечные сигналы, заключающийся в отпирании в требуемой комбинации p i n-диодов, коммутирующих СВЧ-сигнал, в начале прохождения пачки импульсов и гарантированном их запирании после завершения прохождения пачки импульсов, отличающийся тем, что осуществляют отпирание p i n-диодов во время каждого передаваемого радиоимпульса импульсами управления модулятором передатчика и осуществляют запирание p i n-диодов в пределах пачки после отдельно стоящих или нескольких близко расположенных импульсов, по окончании предшествующего запиранию импульса управления модулятором передатчика, путем обеспечения рассасывания накопленного в p i n-диодах заряда.