Типы и схемы защитных устройств

Необходимость включения в состав ППМ специального устройства защиты приёмного канала модуля вызвана реальными условиями его работы. В перспективе при выходной импульсной мощности передающего канала ППМ на GaN транзисторах более 20 Вт и коэффициенте отражения от излучателя АФАР при сканировании луча в секторе обзора до 50% в резонансных областях, отраженная от излучателя мощность с учетом СВЧ потерь составит до 7 Вт. Указанная мощность, согласно направлению циркуляции, попадет на вход МШУ. Данный уровень мощности является разрушающим для МШУ.

Другие возможности повреждения наиболее чувствительного узла АФАР и приемника РЛС вообще могут возникнуть при воздействии непреднамеренных и прицельных помех.

Во всех перечисленных случаях необходимо сохранить в рабочем состоянии каждый модуль в течение всего срока службы при многократных воздействиях зондирующих импульсов заданной мощности при длительности переднего и заднего фронтов импульса 50 - 100 нсек и времени восстановления чувствительности менее чем через 50 нсек по окончании воздействия мощного сигнала. При этом потери в устройстве защиты при низком уровне мощности (НУМ) должны быть минимальны, но не более (0.5 - 0.8) дБ, а ослабление сигнала высокого уровня мощности (ВУМ) должно быть не менее 20 дБ (при допустимой СВЧ мощности на входе МШУ ~ 10 ¸ 20 мВт).

Известные типы защитных устройств (ЗУ) можно разделить на два класса: ограничительные и переключательные.

Ограничительные ЗУ на полупроводниковых диодах построены на принципе обратимого пробоя (протекания тока через диод при значительном уровне мощности СВЧ, подводимой к его электродам). При этом в плоскости, где диод включен в линию передачи параллельно, возникает значительный коэффициент отражения, и мощность не достигает защищаемого узла (МШУ). Такие ограничители называют пассивными, они не требуют источников питания, а их быстродействие определяется параметрами диода. Минимальный уровень мощности, при котором обычно срабатывают пассивные ЗУ, составляет 5 - 10 мВт, что составляет величину просачивающейся мощности и не гарантирует сохранности высокочувствительных МШУ. Порог срабатывания ограничительных ЗУ можно понизить за счет ответвления части падающей мощности через направленный ответвитель (НО), включенный в тракт сигнала, путем детектирования этой мощности детекторной секцией (ДС) и усиления продетектированного сигнала с помощью усилителя постоянного тока (УПТ) для создания принудительного смещения, открывающего ограничительный диод (ДО) при меньших уровнях входной мощности(50 - 100 мкВт). Такая, квазипассивная, схема приведена на рис. 20.в. Решая задачу снижения порога ограничения, данная схема создаёт кроме потерь в ДО, присущих исходной схеме, ещё дополнительные потери (до 0.5 дБ) в СВЧ тракте и имеет большие габариты и стоимость из-за наличия в ней направленного ответвителя с переходным ослаблением 10 - 15 дБ и УПТ. Дополнительные ограничения проявляются в связи с весьма короткими требуемыми фронтами импульсов, что приводит к необходимости расширения полосы пропускания усилителя до 20 - 50 Мгц и соответствующему росту стоимости.

Рис. 20.в. Квазипассивная схема диодного ограничителя

Рис. 20.г. Переключательные защитные устройства

 

 

Переключательные защитные устройства обычно проектируются на основе быстродействующих pin-диодов с малой собственной ёмкостью и представляют собою схемы с параллельным (а), последовательным (б) или комбинированным (последовательно-параллельным) включением диодов в линию передачи (в). При этом моделируется короткое замыкание либо разрыв в линии передачи, либо и то и другое вместе.

Однако, приведенные варианты ЗУ, также как и ограничительные, обладают высоким КСВН в закрытом состоянии, что может привести к самовозбуждению МШУ и отрицательно сказаться как на работоспособности последнего, так и на времени восстановления чувствительности главного приёмного устройства после воздействия мощного импульса. Поэтому предпочтительнее схема ЗУ, осуществляющая не просто отключение циркулятора от МШУ, но такая, которая производит переключение входа МШУ на согласованную нагрузку на время воздействия зондирующего импульса или помехи. Наиболее надежной защитой оказывается инверсная согласованная схема ЗУ (рис. 20.д), которая наоборот, подключает приёмный канал ППМ к антенне только на время приёма, а в остальное время, при отсутствии управляющей команды, вход МШУ постоянно соединён с согласованной нагрузкой. Это исключает возможность повреждения МШУ не только зондирующим импульсом собственного передающего канала, но и сторонней помехой, в том числе - в нерабочем (обесточенном) состоянии, имитируя “заслонку” на входе приёмного тракта ППМ. Однако эта схема не защищает МШУ от мощной помехи во время работы модуля на прием. Поэтому после инверсного ЗУ должно следовать пассивное ЗУ способное поглощать мощность превышающую порог перегрузки МШУ. Величина запирания такого пассивного ЗУ может быть меньше, чем основного инверсного ЗУ, т.к. мощности внешних воздействий все же ограниченны.

Рис. 20.д. Инверсная согласованная схема ЗУ

 

Для защиты приемных каналов ППМ АФАР как от просачивающейся на их входы мощности сигналов, излучаемых передающими каналами ППМ, так и от внешних мощных СВЧ воздействий, необходимо применять пассивное ЗУ на ограничительных диодах. Для повышения запирания надо включить несколько диодов друг за другом. Для минимизации потерь надо стремиться к минимальному числу каскадов ЗУ. Возникает задача оптимизации сочетания параметров сборки ЗУ – МШУ для обеспечения необходимой электрической прочности приемного канала при минимальном результирующем коэффициенте шума.

Схема и конструкция однокаскадного пассивного ЗУ приведена на рис.20.е, 20.ж.

Прямые потери экспериментального ЗУ составили порядка 0,6 дБ, что вполне приемлемо, а просачиваемая мощность в режиме ограничения составляет 60 мВт при 3 Вт на входе. Зависимость выходной мощности ЗУ от входной представлена на рис. 20.з.

Отечественные FET транзисторы типа АП 343А-2 выдерживают входную мощность ~ 200 мВт и могут работать с рассматриваемым ЗУ. Они имеют коэффициент шума 1,1 дБ. Для малошумящих транзисторов РНЕМТ структуры с К_Ш ~ 0,5 дБ мощность на входе вышеуказанного уровня недопустима. Необходимо пассивное ЗУ для обеспечения прямых потерь не более 0,6 дБ, ослабления в режиме запирания не менее 20 дБ (просачиваемая мощность менее 20 мВт).

 

Рис. 20.е. Схема однокаскадного пассивного ЗУ

 

Рис. 20.ж. Конструкция однокаскадного ЗУ.

Рис.20.з. Зависимость входной и выходной мощности ЗУ

 

На рисунках 21, 22 приведены характеристики экспериментального образца двух- каскадного пассивного ЗУ Х – диапазона в 5%-ной полосе частот. Штриховая кривая (см. рис. 21) соответствует входной СВЧ-мощности, сплошная кривая – мощности на выходе ЗУ. При мощности Р _вх на входе 3 ¸ 3,5 Вт мощность Р _вых, на выходе ЗУ (в режиме запирания) составляет 25 ¸ 30 мВт. Ослабление сигнала в режиме запирания (см. рис. 5) составляет ~20 дБ. В режиме пропускания ЗУ имеет СВЧ-потери около 1 дБ.

В рассматриваемом случае электрическая прочность защищаемого МШУ должна быть не хуже 30 мВт, что вполне реализуемо для GaAs МШУ с коэффициентом шума К_ш ³ 1 дБ. Применение МШУ с меньшими К_ш (0,8 ¸ 0,6 дБ) потребует дополнительного ослабления выходной мощности ЗУ в режиме запирания , что может быть достигнуто наращиванием числа каскадов ЗУ. Это, в свою очередь, приведет к увеличению СВЧ-потерь ЗУ в режиме пропускания сигнала малого уровня и к увеличению суммарного К_ш МШУ и ЗУ. С этой точки зрения использование МШУ с минимальным К_ш может оказаться менее эффективным, чем использование МШУ с несколько большей величиной К_ш, но и с более высокой допустимой входной СВЧ-мощностью.