УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для защиты приемных каналов (ПК) радиотехнических систем (РТС) от мощных электромагнитных воздействий (МЭМВ).

Известны устройства защиты ПК РТС от МЭМВ, состоящие из входного и выходного согласующих устройств и включенного между ними газового разрядника [1] . Эти устройства характеризуются большой постоянной времени внесения затухания в антенно-фидерный тракт, а поэтому имеют ограниченное применение. Они используются в основном как устройства защиты ПК РТС от МЭМВ, формируемых при грозовых разрядах, а также от воздействий квазимонохроматических электромагнитных полей, изучаемых мощными передатчиками, расположенными вблизи ПК РТС.

Известны устройства защиты ПК РТС от МЭМВ, состоящие из входного и выходного согласующих устройств и включенного между ними полупроводникового диода (как правило, р-i-n-диода) [1]. Разновидностью этих устройств являются ограничители мощности лестничного и балансного типа [2]. Работа устройств основана на инжекции заряда в i-слой р-i-n-диода. При возрастании на р-i-n-диоде напряжения СВЧ в результате инжекции заряда в i-слой происходит падение сопротивления диода, который шунтирует линию передачи. В результате часть падающей мощности отражается от диода ко входу устройства защиты.

При малых мощностях СВЧ-сигнала диод имеет высокое сопротивление и мощность на выходе устройства защиты возрастает пропорционально мощности входного СВЧ-сигнала. После превышения некоторого порогового уровня затухание, вносимое устройством защиты, достигает величин, при которых мощность на выходе устройства остается практически постоянной при изменении входной мощности в диапазоне 20...30 дБ [1]. При дальнейшем увеличении амплитуды входного сигнала начинают сказываться паразитные реактивности диода и мощность на выходе устройства защиты возрастает. Устройство обеспечивает защиту ПК РТС от МЭМВ сравнительно малой мощности. Так, например, при пороговом уровне мощности входного СВЧ-сигнала Р_пор=10^-2 Вт устройство обеспечивает постоянство выходной мощности, соответствующей Р_пор=10^-2 Вт, в пределах изменения мощности входного сигнала от 10^-2 Вт до 10 Вт.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству защиты ПК РТС является устройство, структурная схема которого приведена в [2].

Данное устройство предназначено для защиты ПК РТС в широком диапазоне изменения мощности входного СВЧ-сигнала и включает в себя последовательно соединенные управляемый аттенюатор, направленный ответвитель, амплитудный детектор и усилитель напряжения, при этом СВЧ-вход управляемого аттенюатора является СВЧ-входом устройства; СВЧ-выход управляемого аттенюатора подключается ко входу направленного ответвителя, основной выход которого является СВЧ-выходом устройства; к дополнительному выходу направленного ответвителя подключен вход амплитудного детектора, выход которого через усилитель напряжения подключен к управляющему входу управляемого аттенюатора.

Использование в данном устройстве управляемого аттенюатора обеспечивает расширение диапазона регулировок затухания, вносимого в тракт распространения СВЧ-сигнала, поскольку усиленный сигнал, снимаемый с детектора и подаваемый в качестве управляющего на управляемый аттенюатор, способствует расширению диапазона изменения затухания, вносимого управляемым аттенюатором в тракт распространения СВЧ-сигнала [2]. Данное устройство при использовании в нем полупроводниковых управляемых аттенюаторов лестничного либо балансного типа обеспечивает защиту ПК РТС от МЭМВ сравнительно большой мощности. Так, например, при пороговом уровне мощности входного СВЧ-сигнала Р_пор=10^-2 Вт устройство обеспечит постоянство выходной мощности, соответствующей Р_пор= 10^-2 Вт, в пределах изменения мощности входного СВЧ-сигнала от 10^-2 Вт до 10⁴ Вт [2].

Устройство не обеспечивает защиту ПК РТС от сверхширокополосных (СШП) МЭМВ, поскольку содержит инерционные элементы, препятствующие внесению необходимого затухания СВЧ-сигналов в течение времени переходных процессов, сравнимых либо превышающих длительность СШП МЭМВ. В результате при СШП МЭМВ на выходе устройства формируются мощные СШП-сигналы, под действием которых возможно поражение периферийных функциональных узлов (ПФУ) ПК РТС, подключаемых к выходу устройства защиты [4, 5].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение области применения устройства защиты ПК РТС путем обеспечения затухания СВЧ-сигнала, формируемого при СШП МЭМВ.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известное устройство, содержащее управляемый аттенюатор, СВЧ-вход которого является СВЧ-входом устройства; направленный ответвитель, к СВЧ-входу которого подключен СВЧ-выход управляемого аттенюатора; амплитудный детектор, вход которого подключен к дополнительному выходу направленного ответвителя; и усилитель напряжения, подключенный между выходом амплитудного детектора и управляющим входом управляемого аттенюатора, внесены следующие усовершенствования.

Основной выход направленного ответвителя через линию задержки подключен к СВЧ-входу другого управляемого аттенюатора, к управляемому входу которого через пороговое устройство подключен выход усилителя напряжения, при этом СВЧ-выход другого управляемого аттенюатора является СВЧ-выходом устройства; время задержки СВЧ-сигнала, обеспечиваемое линией задержки, выбирается равным времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе; а пороговое устройство обеспечивает внесение другим управляемым аттенюатором максимально возможного затухания в тракт СВЧ-сигнала, начиная с момента времени, принадлежащего времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

В заявляемом устройстве в отличие от прототипа дополнительно введены линия задержки, другой управляемый аттенюатор и пороговое устройство, при этом параметры линии задержки выбираются таким образом, чтобы СВЧ-сигнал приходил на вход другого управляемого аттенюатора после завершения переходных процессов в управляемом аттенюаторе; а пороговое устройство формирует управляющий сигнал, обеспечивающий внесение затухания СВЧ-сигнала другим управляемым аттенюатором, начиная с момента времени, принадлежащего времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее изобретение вариантов выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
- фиг. 1 - структурная схема устройства защиты приемных каналов радиотехнических систем;
- фиг.2 - эквивалентная схема формирования мощности Р_2б(t) на выходе 2б направленного ответвителя 2;
- фиг. 3 - осциллограмма изменения напряженности поля Е(t) СШП-воздействия на антенну "Лотос" типа "волновой канал";
- фиг. 4 - осциллограмма отклика (выходного сигнала U(t) антенны) на СШП-воздействие (фиг.3);
- фиг.5а - график изменения мощности P_2б(t) СВЧ-сигнала, формируемого на СВЧ-выходе 2б СВЧ направленного ответвителя 2;
- фиг.5б - график изменения мощности Р₁(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе линии задержки 5;
- фиг. 5в - график изменения затухания Z₁(t), вносимого другим управляемым аттенюатором 6 в тракт распространения СВЧ-сигнала.

Устройство защиты приемных каналов радиотехнических систем содержит (фиг. 1) последовательно соединенные управляемый аттенюатор 1, направленный ответвитель 2, амплитудный детектор 3 и усилитель напряжения 4, при этом СВЧ-вход 8 управляемого аттенюатора 1 является СВЧ-входом устройства; СВЧ-выход управляемого аттенюатора 1 подключается ко входу 2а направленного ответвителя 2, основной выход 2б которого через линию задержки 5 подключен к СВЧ-входу другого управляемого аттенюатора 6, СВЧ-выход 9 которого является СВЧ-выходом устройства, к дополнительному выходу 2в направленного ответвителя 2 подключен вход амплитудного детектора 3, выход которого через усилитель напряжения 4 подключен к управляющему входу 10 управляемого аттенюатора 1, соединенному через пороговое устройство 7 с управляющим входом 11 другого управляемого аттенюатора 6.

Работает устройство следующим образом. Пусть на вход 8 устройства поступает СВЧ-сигнал. Пройдя через управляемый аттенюатор 1, СВЧ-сигнал поступает на СВЧ-вход 2а направленного ответвителя 2. При этом формируются СВЧ-сигналы на СВЧ-выходе 2б и дополнительном СВЧ-выходе 2в направленного ответвителя 2. Мощности этих сигналов соответственно равны Р_2б и Р_2в и связаны соотношением
Р_2в= К_отР_2б, (1)
где К_от - некоторый постоянный коэффициент, зависящий от свойств направленного ответвителя 2.

С выхода 2в направленного ответвителя 2 СВЧ-сигнал поступает на амплитудный детектор 3. При использовании в амплитудном детекторе 3 интегрирующего фильтра с постоянной времени Т_ф на его выходе формируется напряжение u_д(t), в первом приближении определяемое следующим дифференциальным уравнением:
Т_фdu_д(t)/dt + u_д(t) = K_дР_2в(t), (2)
где К_д - коэффициент передачи амплитудного детектора 3.

Формируемое амплитудным детектором 3 напряжение u_д(t) (2) усиливается усилителем напряжения 4. При этом формируемое на выходе усилителя напряжения 4 напряжение u_ун(t) равно:
u_ун(t) = K_унu_д(t), (3)
где К_ун - коэффициент усиления усилителя напряжения 4.

Это напряжение подается на управляющий вход 10 управляемого аттенюатора 1. При этом изменяется затухание Z(t), вносимое управляемым аттенюатором 1 в тракт СВЧ-сигнала.

В первом приближении можно полагать, что
Z(t) = К_уаu_ун(t), (4)
где К_уа - коэффициент передачи управляемого аттенюатора 1.

Изменение затухания Z(t) (4) управляемого аттенюатора 1 приводит к изменению мощности Р_2а(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе управляемого аттенюатора 1 (входе 2а направленного ответвителя 2), так что [1]:
Р_2а(t) = Z(t)Р_вх(t), (5)
где Р_вх(t) - мощность СВЧ-сигнала, действующего на СВЧ-входе 8 устройства.

Так как для мощностей Р_2а(t), Р_2б(t) и Р_2в(t) справедливо соотношение
Р_2а(t) = Р_2б(t) + Р_2в(t), (6)
то согласно соотношениям (1), ..., (5) изменение затухания Z(t) (4) вызовет изменение мощности Р_2в(t) (1); изменение мощности Р_2в(t) (1) вызовет изменение затухания Z(t) (4) и т.д.

В результате процесс формирования мощности Р_2б(t) на выходе 2б направленного ответвителя 2 может быть определен с помощью схемы автоматического регулирования, приведенной на фиг. 2,
W(p) = K_отK_дK_ун/(T_фp + 1), (7)
где р - оператор Лапласа; Т_ф - постоянная времени интегрирующего фильтра амплитудного детектора 3.

При низких уровня мощности Р_вх(t) СВЧ-сигнала, подаваемого на СВЧ-вход 8 устройства, напряжение u_ун(t) (3), формируемое на управляющем входе 10 управляемого аттенюатора 1 (выходе усилителя напряжения 4), является низким. В результате управляемый аттенюатор 1 несущественно изменяет затухание Z(t) (4), вносимое в тракт распространения СВЧ-сигнала, и мощность Р_2б(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе 2б направленного ответвителя 2, изменяется пропорционально мощности Р_вх(t) СВЧ-сигнала, поступающего на СВЧ-вход 8 устройства.

При высоких уровнях мощности Р_вх(t) СВЧ-сигнала, подаваемого на СВЧ-вход 8 устройства, напряжение u_ун(t) (3), формируемое на входе 10 управляемого аттенюатора 1 (выходе усилителя напряжения 4), является высоким. В результате управляемый аттенюатор 1 изменяет затухание Z(t) (4), вносимое в тракт распространения СВЧ-сигнала. При этом величина затухания Z(t) (4), вносимого в тракт распространения СВЧ-сигнала, изменяется по мере изменения мощности Р_вх(t) СВЧ-сигнала, поступающего на СВЧ-вход 8 устройства. Изменение затухания Z(t) (4), вносимого в тракт распространения СВЧ-сигнала, изменят мощность Р_2б(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе 2б направленного ответвителя 2. Процесс изменения мощности Р_2б(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе 2б направленного ответвителя 2, является динамическим и может быть определен согласно эквивалентной схеме фиг.2.

Особенностью эквивалентной схемы фиг.2 является то, что она в линейном приближении принадлежит к категории эквивалентных схем устройств с нулевым порядком астатизма, инерционность которых определяется постоянной времени Т_ф интегрирующего фильтра амплитудного детектора 3. Это означает следующее.

1. Условие нормального функционирования амплитудного детектора 3 определяется соотношением
Т_ф > Т_свч,
где Т_свч - период несущей входного СВЧ-сигнала, и согласно эквивалентной схеме фиг.2 означает, что в течение времени
Δt ≥ Т_ф > Т_свч (8)
управление мощностью Р_2б(t) СВЧ-сигнала, формируемого на выходе 2б направленного ответвителя 2, практически не производится.

2. Исследования воздействия СШП-сигналов на антенно-фидерные системы ПК РТС показали [3], что на их выходе формируются наиболее мощные процессы на интервалах времени t:
0<t<Т_свч. (9)
Так, например, осциллограмма отклика (выходного напряжения) антенны "Лотос" типа "волновой канал" на СШП-воздействие, осциллограмма напряженности поля Е(t) которого приведена на фиг.3, приведена на фиг.4.

3. Согласно изложенному в п.п.1 и 2 при СШП МЭМВ на ПК РТС, использующих устройства защиты фиг.2, на выходе 2б их направленного ответвителя 2 будет формироваться мощный СВЧ-сигнал.

Предположим, что закон изменения мощности Р_2б СВЧ-сигнала на выходе 2б направленного ответвителя 2 (фиг.1), формируемого при СШП МЭМВ на ПК РТС, соответствует приведенному на фиг.5а.

Использованные на фиг.5 обозначения:
- Δt соответствует условию (8);
- Р_огр соответствует мощности Р_2б СВЧ-сигнала, формируемого на выходе 2б направленного ответвителя 2 (фиг.1) при завершении переходного процесса в устройстве фиг.1.

СВЧ-сигнал, формируемый на выходе 2б направленного ответвителя 2, задерживается с помощью линии задержки 5 на время Δt, удовлетворяющее условию (8). Это означает, что закон изменения мощности Р₁(t) СВЧ-сигнала на выходе линии задержки (фиг.1) соответствует приведенному на фиг.5б.

К моменту Δt₁ завершения переходного процесса изменения затухания Z(t) (4), вносимого в тракт распространения СВЧ-сигнала с помощью управляемого аттенюатора 1, напряжение u_ун(t) (3), формируемое усилителем напряжения 4, достигает порогового значения, при котором пороговое устройство 7 вырабатывает напряжение, подаваемое на вход 11 другого управляемого аттенюатора 6. Под действием этого напряжения другой управляемый аттенюатор 6 вносит затухание Z₁(t) в тракт распространения СВЧ-сигнала, закон изменения которого приведен на фиг.5в.

Согласно фиг.5в вносимое в тракт распространения СВЧ-сигнала другим управляемым аттенюатором 6 затухание, начиная с момента
t = Δt₁,
принимает максимально возможное значение:
Z₁(t) = Z_1max.

В результате на выходе другого управляемого аттенюатора 6 формируется СВЧ-сигнал, имеющий мощность Р_вых(t), равную:
Р_вых(t) ≤ Z_1maxP_1max, (10)
где Р_1max - максимальное значение мощности СВЧ-сигнала, формируемого на выходе управляемого аттенюатора 1 (см. фиг.5а) и соответственно на выходе линии задержки (см. фиг.5б).

Полагая, например, что Р_1max = 10⁴ Вт, Z_1max = 10^-6, согласно (10) определим
Р_вых(t) ≤ 10^-2 Вт. (11)
Это означает, что устройство защиты Фиг.1 в отличие от известных устройств обеспечит защиту приемных каналов радиотехнических систем от СШП МЭМВ.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Кравченко В.И. и др. Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи, - М., Радио и связь, 1987. - 256 с.

2. Микроэлектронные устройства СВЧ./ Под ред. проф. Г.И. Веселова, - М.: Высшая школа, 1988, с.280.

3. Научно-методические основы проектирования радиоэлектронных систем, стойких к воздействию помех СВЧ-диапазона: Учебное пособие для вузов. /Стрюков Б.А. и др. - С-Пб: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1999, с.248.

4. Физика поражения и защита радиоэлектронных средств от одиночных импульсных помех СВЧ-диапазона: Учебное пособие для вузов./ Стрюков Б.А. и др. - С-Пб: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1997, с.262.

5. Физика поражения и защита радиоэлектронных средств от одиночных импульсных помех СВЧ-диапазона: Учебное пособие для вузов./ Стрюков Б.А. и др. - С-Пб: ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1997, с.222.

Изобретение относится к области радиотехники. На входе приемного канала включены последовательно соединенные управляемый аттенюатор, направленный ответвитель, линия задержки и другой управляемый аттенюатор, между дополнительном выходом направленного ответвителя и управляющим входом управляемого аттенюатора включены последовательно соединенные амплитудный детектор и усилитель напряжения, между выходом усилителя напряжения и управляющим входом другого управляемого аттенюатора подключено пороговое устройство, обеспечивающее внесение максимального затухания в тракт СВЧ, начиная с момента времени, принадлежащего времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе, а время задержки линии задержки выбрано равным времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе. Технический результат - расширение области применения путем обеспечения затухания СВЧ-сигнала, формируемого при сверхширокополосных мощных электромагнитных воздействиях. 5 ил.

Устройство защиты приемных каналов радиотехнических систем, содержащее управляемый аттенюатор, СВЧ-вход которого является СВЧ-входом устройства, направленный ответвитель, к СВЧ-входу которого подключен СВЧ-выход управляемого аттенюатора, амплитудный детектор, вход которого подключен к дополнительному выходу направленного ответвителя, и усилитель напряжения, подключенный между выходом амплитудного детектора и управляющим входом управляемого аттенюатора, отличающееся тем, что основной выход направленного ответвителя через линию задержки подключен к СВЧ-входу другого управляемого аттенюатора, к управляемому входу которого через пороговое устройство подключен выходу усилителя напряжения, при этом СВЧ-выход другого управляемого аттенюатора является СВЧ-выходом устройства, время задержки СВЧ-сигнала, обеспечиваемое линией задержки, выбирается равным времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе, а пороговое устройство обеспечивает внесение другим управляемым аттенюатором максимально возможного затухания в тракт СВЧ-сигнала, начиная с момента времени, принадлежащего времени переходного процесса в управляемом аттенюаторе.