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雷达接收机保护开关
    [摘要] 在高性能的脉冲多卜勒雷达中,为避免TR管附加给发射信号的噪声, 采用了一种全固态吸收式接收机保护器。从而使雷达的总体性能指标得到提高。本文作者单位研制了该保护器,并采用国产PIN管和恒达公司自行研究改进的生产工艺,获得了良好、稳定的电气、结构和工艺性能,起到了替代进口的作用。本文详细介绍了S波段接收机保护器的开关技术指标、工作原理、调试技术、并给出了测试结果。该产品已小批量用于我国新一代气象雷达98DSA中,也可以用于其它高性能的脉冲多卜勒雷达中。
    关键词:吸收式、全固态、接收机保护器、电桥、变态魔T

一、引言:
    本高性能接收机保护器用于新一代脉冲多卜勒气象雷达98DSA的接收系统中。该气象雷达是我国在20世纪90年代后期从美国引进的一种先进的气象雷达。该雷达为避免TR管附加给发射信号的噪声,要求接收机保护器是吸收式的,并能承受大功率,还要求全固态、长寿命、低插损、高隔离、有故障检测接口等。因此,该部件的技术难度大,结构复杂,国内没有此类型的产品,只得从美国进口。
    为了配合气象雷达98DSA的国产化工作,恒达公司经过一年多时间的努力,终于在2002年8月完成了第一台接收机保护器有源开关的样机。各项性能技术指标达到美国进口产品的水平,完全可以替代进口,为我国气象雷达事业作出了我们的贡献。

二.主要技术要求:
    · 工作频率:2700 ~ 3000MHz。
    · 最大承受脉冲功率:100KW(脉冲宽度4.65μS,占空比0.002)。
    · 低功率插入损耗:≤0.65dB(0V、10dBm)(实测﹤0.45dB)。
    · 高功率隔离:≥27dB(+5V、600mA)(实测>32dB)。
    · 低功率时的驻波要求:J1SWR≤1.4,J2SWR≤1.4。
    · 高功率隔离时的驻波要求:J1SWR≤1.35,J2SWR≤1.5。
    · 测试输入定向耦合器:耦合度20dB±0.7dB 方向性≥20dB。
    · 开关速度:≤2μS。
    · 气密:输入端0.05MPa,输出端无压。
    · 连接:J1—BJ32FAP J2—N-50K J3—N-50K J4—DA15P。

三.系统组成及工作原理
1、本接收机保护器由输入波导法兰、反射波十字定向耦合器、同轴波导转换器、波导负载、H面电桥、弯波导、大功率负载、变态双魔T、PIN波导开关对、E面电桥、90度弯同轴输出接头等组成。(参看图1)。

2、 H面电桥和E面电桥的结构与性能:(参看图2)。
     H面电桥采用侧壁耦合、宽边压窄、电容调相的方案。E面电桥采用宽边双宽缝耦合、窄边压窄、阶梯过渡的方案。二者均采用铝合金分体加工,铝钎焊工艺,使E面、H面电桥电性能在规定频带内达到如下指标: F=2.7-3.0GHz;VSWR≤1.10(H面);VSWR≤1.20(E面); 耦合臂和直通臂插损:3.1 ± 0.1dB。

3、双变态魔T的结构与性能:(参看图3)。
    双变态魔T是将两个特殊的变态魔T及其调配件作成一个整体件。该特殊的变态魔T是将普通的魔T的两个平衡臂波导高度压窄,以便与波导PIN开关匹配。再将H臂折转90度,将E臂向另一方向折转90度形成H臂与E臂在一个传输方向。再将这两个变态魔T作成一个整体结构,使两个魔T的H臂在一个平面,并窄边相连;以便与H面电桥的输出直接相连;同时两个魔T的E臂在对面的一个平面,并宽边相连,以便与E面电桥的输入直接相连。四个平衡臂的输出分列在两边,以便与两个波导PIN开关相连。这样的变态使系统的连接紧凑方便、体积小巧,当然也给制造与调试增加很大的难度。特别是制造工艺的难度是相当大的。经过恒达公司电气、结构、工艺设计师和工人师傅的若干次研究、分析、分解和试验攻关,终于找到了一种行之有效的工艺方案使这一难题得到解决。
使双变态魔T的电性能在规定频带内达到如下指标: F=2.7-3.0GHz;VSWR≤1.15;两平衡臂插损:3.1 ± 0.1dB;E-H隔离≥35dB。

4、波导PIN开关座的工作原理:(参看图4、图5)。
    波导PIN开关座由短路的阶梯脊波导A和PIN管控制的短路波导B两部分组成。
    短路的阶梯脊波导A可改变脊的高度来改变反射波的相位及反射相位随射频变化的斜率,同时也作为开关座的反射相位基准。
    PIN管控制的短路波导B,里面装有两个PIN二极管。PIN二极管加正电压与加负电压比较,反射波的相差为180°(实际上相位差-164°~ +164°之间)。
    PIN二极管的特性:加负电压时(或零偏压)时,PIN管等效为电容+电阻;加正电压时,PIN管等效为小电阻。用改变结构尺寸及选择PIN二极管参数的方法,使短路的阶梯脊波导的反射相位(基准相位)与加正电压的PIN管控制的短路波导的反射相位相同。还要求加负电压(或0偏置)的PIN管控制的短路波导的反射相位与标准相位相反(-164°~ +164 °之间即可)。
    PIN管控制的短路波导使反射波相位改变的原理:当PIN二极管加正电时,二极管处产生并联谐振、信号通过由底部B处反射。由于A、B两波导电长度相同,反射波相位相同。
    当PIN二极管加负电压(或0偏压)时,二极管处产生串联谐振、信号被短路,由二极管处反射。如果二极管处到底部B的长度为 ,则反射波相位与A相反。
    关于PIN开关座的功率容量问题,本开关一共采用了四个二极管,由于波导开关座是由两根波导组成,而只有一根波导中有二极管,所以,只有的输入功率加在一个波导PIN座上,每个座里用了2个PIN管,平均每个PIN二极管只承受的输入功率。


5、收机保护器有源开关的工作原理:(参看图6)。

    ·反射波十字定向耦合器、同轴波导转换器和波导负载用于对保护器的反射特性进行 实时检测。
    · H面电桥将输入信号一分为二后,分别馈入变态双魔T的两个H口(H1、H2)。 T 将进入H口的信号同相分配到PIN波导开关的两个输入端。PIN波导开关是由两个非标波导口输入,其中一路是具有一定长度的短路波导段;另一路是含有PIN开关的短路波导段。当雷达发射脉冲出现时,同步的高电平(+10V)脉冲施加到PIN二极管上时,PIN二极管呈现低阻抗,进入其中的发射信号被二极管反射,与另一路进入不含有PIN开关的短路波导段的反射为同相,于是这两个等幅同相的反射信号又返回到变态双魔T的 H1(H2)口 。
    ·从变态双魔T的H1、H2返回到 H面电桥的两个输出端的发射脉冲信号在H面电桥的弯波导输出端迭加,进入大功率负载。完成在发射脉冲时的大功率信号被隔离的效果,有效地保护了接收机,这就相当于整个开关 处于关断状态。
    ·在发射脉冲停止时,同步的负压施加到PIN二极管上,从天线接收到的微波信号由J1输入,经过H面3dB电桥,被分成两个幅度相等,相位相差90°的两个信号,分别被送入两个变态魔T的H1臂和H2臂。进入H1(或H2)臂的信号,又二分为四到变态魔T的P11、P12臂和P21、P22臂,分别与两个波导二极管开关座相连接 。由于开关座里PIN二极管处于负偏置(或0偏置),开关座两臂A和B的反射波相位差180°。四个反射波信号分别在E1和E2相加,并进入E面电桥。由于相位关系,它们在J2输出。这就相当于整个开关处于通过状态。

四、调试技术
1、由于被测件的技术性能要求高,方案自身的合成特点也要求对每个部件的实际幅度相位测试准确度要高。例如,保护开关总插损小于0.65dB,分配到H面电桥、变态魔T、开关座、E面电桥等部件上的插损只有0.1 ~ 0.15dB。3dB分配的幅度和电桥的正交相位平衡性,也要求测得准确。开关座的反射是全反射,小的回波损耗和反射的相位差在0°和180°左右,也使相位调试和测量的要求增加。
2、根据以上情况,对测试系统的要求并不是测量动态的问题,而是测量准确度的问题。为此,仪表的精度和动态都退到次要位置。测量元件的安排成为保证测量准确性的重要因数。参考文献[4]、[5]已对测量误差进行了分析,关键是源失配和负载失配一定要非常重视,否则,插损和相位测不准,系统性能无法得到。
    为此提出了对测试系统的要求: 源反射系数和负载反射系数为0.02;驻波测试电桥的方向性应≥37dB;此时产生幅度误差1±0.01,即±0.1dB相位误差△Φ=±0.573°;

五、测试结果
1、低功率状态(0偏置)时的插损和驻波。低功率状态

f(MHz)

2700

2750

2800

2850

2900

2950

3000

Il(dB)

0.45

0.31

0.41

0.33

0.24

0.28

0.22

VSWR

1.28

1.12

1.21

1.07

1.12

1.06

1.13


2、 高功率状态(+5V、600mA)时的隔离和驻波。高功率状态

f(MHz)

2700

2750

2800

2850

2900

2950

3000

ISO(dB)

32.79

34.58

34.77

35.61

38.09

41.09

37.21

VSWR

1.22

1.09

1.17

1.17

1.22

1.16

1.12


3、 高功率试验,输入100KW脉冲功率,测试的衰减量与高功率状态(+5V、600mA)时测量的隔离值一致。经过1小时高功率试验后,性能不变。

六、结束语
    这种雷达接收机保护器具有长寿命、低插损、高隔离、能承受大功率的特点,而且更重要的是避免了气体放电管(TR管)给发射信号带来的附加噪声。因此,可广泛应用于各种高性能的脉冲多卜勒雷达中。

 
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