СВЧ - приемный комплекс

СВЧ-приемный комплекс, состоящий из трех двухканальных приемников диапазонов длин волн 18-21 (L) см, 6 см (C), 1,35 см (K) и двухканального совмещенного приемника 13/3,5 см (S/X), обеспечивает малошумящий прием сигналов естественного и искусственного происхождения.

Блок-схема СВЧ-приемного комплекса
КМ - коммутатор сигналов промежуточных частот десяти приемников на четыре кабеля снижения,
СЧВС - система частотно-временной синхронизации.

1. Принцип работы и особенности конструкции приемников L,C,K-диапазонов.

Приемники построены по схеме с шумовым пилот-сигналом, сочетающую в себе возможности модуляционного приема для режима одиночного телескопа и корреляционной обработки сигналов в режиме РСДБ сети.

Приемники каждого диапазона выполнены двухканальными - для приема правой и левой поляризаций. В блоках совмещенного S/X приемника объединена аппаратура двух разных диапазонов. Для охлаждения входных каскадов использованы микрокриогенные системы (МКС) замкнутого цикла охлаждения водородного уровня (15 К).

Управление режимами работы приемников, контроль параметров осуществляется дистанционно со специального управляющего компьютера.

Все приемники состоят из двух систем, каждая из которых имеет идентичные независимо управляемые усилительно-преобразовательные каналы для одновременного приема двух поляризаций.

Принимаемые облучателем антенного комплекса СВЧ-сигналы поступают по входному тракту соответствующего канала с ответвителями (для ввода калибровок сигналов и фазового контроля) через разделитель круговых поляризаций на усилитель. Усиленный сигнал с выхода криоблока подается по коаксиальному кабелю на вход блока приемного термостатируемого (Диапазоны L,C,Ku) или блока преобразования частот (S/X приемник)

Криоблок входит в состав приемников в качестве основного устройства, реализующего функции усиления слабых СВЧ-сигналов при минимальном уровне собственных шумов. Охлаждение элементов каждого криоблока обеспечивается соответствующей микрокриогенной системой, причем одна МКС обеспечивает криостатирование одновременно двух криостатов. Установленные внутри криоблока усилители гибкими хладоводами (для уменьшения вибраций) соединены с водородной ступенью (15 К) охладителя МКС. Для снижения теплопритока охлаждаемая часть криоблока дополняется тепловым экраном, который устанавливается на первой ступени (80 К) охладителя. Будучи термически не связанным со второй (водородной) ступенью охладителя и входом, экран служит для отвода тепла, излучаемого внутренней поверхностью криостата на вторую ступень охладителя.

При работе МКС полость криостата должна быть вакуумирована. Чтобы упростить эту операцию в криоблоке установлены крионасосы, представляющие собой активированный уголь, адсорбционная способность которого резко возрастает при азотной температуре. Поэтому откачка внешним форвакуумным насосом производится только до достижения первой ступенью микроохладителя (МО) температуры 70 К, после чего вакуумный насос отключается и дальнейшее улучшение вакуума осуществляется за счет работы крионасоса

Для ввода и вывода СВЧ-сигналов в вакуумируемую полость используются гермовводы.

Блок приемный термостатируемый (БПТ) L,C,K-диапазонов предназначен для окончательного усиления и преобразования СВЧ-сигнала в сигнал промежуточной частоты (ПЧ). Основным узлом блока является усилительно-преобразовательное устройство (УПУ). В блоке осуществляется амплитудная модуляция входного сигнала и подавление сигналов вне полосы приема. В диапазонах L,C,Ku для преобразования используются внешние гетеродины.

БПТ коаксиальный (диапазоны L и C)
800x600>>

При работе систем в режиме радиометра с пилот-сигналом модулятор и компенсационный генератор шума модулируются в противофазе сигналом от внешнего генератора частоты модуляции. В радиоинтерферометрическом режиме в блок генераторов шума вводится сигнал от внешнего генератора пикосекундных импульсов (ГПИ), который используется для фазовой калибровки системы. Амплитудная калибровка осуществляется сигналом ГШ калибровки.

Полоснопропускающий фильтр предназначен для подавления сигналов СВЧ, лежащих вне рабочей полосы частот, и зеркальной составляющей сигнала, образующейся при частотном преобразовании сигнала в УПУ, а также для формирования полосы приема.

Для обеспечения радиометрического режима работы радиометра на входах каналов установлены модуляторы усиления. В качестве модулятора используются p-i-n переключатель из 2 в 1. Диоды в обоих плечах находятся в насыщенном режиме, что позволяет обеспечить стабильность коэффициента передачи модулятора. Принцип действия модулятора основан на отражении СВЧ-энергии от закрытого плеча переключателя. Поскольку отражение от закрытого плеча происходит в полупериод подачи импульса ГШ, то величина коэффициента отражения (т.е. потерь) не существенна, важно лишь обеспечить стабильность КСВ.

Усилительно-преобразовательное устройство осуществляет малошумящий прием СВЧ-сигнала с последующим усилением, преобразованием и формированием полосы пропускания промежуточной частоты. УПУ выполнено в виде единого модуля. Усилитель высокой частоты - трехкаскадный, смеситель собран по балансной схеме, развязка плеч сигнала и гетеродина лучше 10 дБ, коэффициент передачи не менее 40 дБ с неравномерностью не более 3 дБ.

В БПТ диапазона 6 см все СВЧ-элементы выполнены по интегрально-гибридной технологии и объединены в единые микросборки, что позволило уменьшить массогабаритные и эксплуатационные характеристики аппаратуры, одновременно улучшив технические параметры. Полоса приема при этом расширена с 500 до 900 МГц.

Система термостатирования предназначена для обеспечения стабильных характеристик СВЧ-узлов. Уровень стабилизации (25,5) С в диапазоне температур окружающей среды (5-40) С; точность поддержания температуры в месте установки датчика 0,2 С.

Исполнительным элементом системы термостатирования являются пять последовательно соединенных термобатарей, работа которых основана на эффекте Пельтье. Отвод тепла от термобатарей осуществляется принудительной конвекцией при помощи пластинчатого радиатора и блока вентилятора.

Блок генераторов шума (БГШ) L,C,K-диапазонов предназначен для формирования сигналов калибровки (~1 К) и компенсации (в радиометрическом режиме). Источником импульсно-модулированного сигнала в каналах ГШ компенсации и калибровки является полупроводниковые генераторы шума на лавинно-пролетных диодах (ГШП) с волноводным выводом (в диапазоне K) и с коаксиальным выводом (в остальных диапазонах).

БГШ коаксиальный (диапазоны L, C)
800x600>>
БГШ волноводный (диапазон K)
800x600>>

Сигнал калибровки вводится в тракт ГШ компенсации через направленный ответвитель с переходным затуханием 20 дБ. Для регулировки мощности ГШ компенсации и калибровки применены коаксиальные аттенюаторы на p-i-n диодах.

Одним из основных факторов, определяющим качество работы приемника в радиометрическом режиме является стабильность компенсирующего сигнала. В блоке генераторов шума она зависит от двух элементов - собственно ГШП и p-i-n аттенюатора. Для обеспечения долговременной временной стабильности спектральной плотности мощности шума все СВЧ-элементы и источники опорных напряжений плат питания термостабилизируются. Причем, датчик температуры устанавливается на корпусе p-i-n аттенюатора, как наиболее термочувствительном элементе. Как показали эксперименты, ГШП менее чувствительны к изменениям температуры, чем p-i-n диоды аттенюаторов. Конструктивно термостат блока генераторов шума не отличается от термостата блока приемного термостатированного.

В рабочих диапазонах частот зависимость спектральной плотности мощности шума ГШП от питающего тока имеет ярко выраженный максимум, не всегда соответствующий паспортному значению тока. Поэтому для обеспечения стабильной работы генератора шума устанавливается ток через ГШП, соответствующий минимальной крутизне спектральной плотности мощности как функции тока питания. Неравномерность в этом случае не превышает 1,5 дБ во всей полосе рабочих частот.

Модуляция полупроводниковых генераторов шума осуществляется по питанию. Все ГШП могут работать как в непрерывном, так и в модулированном режиме. СВЧ-разъемы блоков изолированы от корпуса, низкочастотные соединения развязаны оптронами, центральные жилы коаксиальных соединителей имеют разрыв по постоянному току.

Блок обеспечивает следующие основные режимы работы:

  1. Независимое включение режимов работы ГШ компенсации и калибровки (модулированный, непрерывный).
  2. Введение задержки включения СВЧ-сигнала ГШ относительно включения p-i-n модулятора и задержки выключения p-i-n модулятора относительно выключения сигнала ГШ.
  3. Регулирование тока питания управляемого p-i-n аттенюатора, чем обеспечивается достаточная точность в режиме компенсации при хорошей стабильности. Управление платой производится внешним сигналом.

2. Особенности приемников диапазонов L, C, K.

Криоэлектронные блоки диапазона L выполнены двухканальными, со встроенным разделителем поляризаций в виде 90-градусного двухканального моста. В дециметровом диапазоне длин волн в криорадиометрах применяются коаксиальные линии передачи, что с одной стороны несколько сложнее с точки зрения минимизации шумовой температуры, а с другой - дает возможность охладить большее количество СВЧ-узлов. Поэтому в дециметровом диапазоне удалось разместить входные малошумящие усилители двух каналов в одном криоблоке.

В приемниках предусмотрено криостатирование не только усилителей, но и отдельных устройств входного тракта - ферритовых развязывающих вентилей, разделителя поляризаций, ответвителей для ввода сигналов от ГШ соответствующего канала. Криостатирование осуществляется при температуре 15-18 К.

Криоэлектронный блок диапазона S и L

В диапазоне С и K см приемники сантиметрового диапазона длин волн функционально аналогичны приемникам дециметрового диапазона. Входные сигнальные гермовводы выполнены на волноводах с целью обеспечения минимальных потерь. Гермовводы для ввода сигнала ГШ и выходные сигнальные гермовводы в диапазонах 6 см выполнены на коаксиалах, в диапазоне K - на волноводах, как и МШУ и тракты сигналов калибровки.

Основное конструкции отличие приемников сантиметрового диапазона заключается в реализации входных трактов с разделителями поляризации. В состав каждого тракта входят: ребристо-стержневой преобразователь поляризации и два селектора поляризации в виде H-соединения круглого и прямоугольного волноводов. Они расположены вне криоблоков и не охлаждаются. Фотографии используемых в настоящее время криоэлектронных блоков Х и K-диапазонов представлены на рисунках 9, 10. соответственно.

Криоэлектронный блок X-диапазонаКриоэлектронный блок K-диапазона

3. Cистема управления и электропитания приемников L, C и K-диапазонов.

Cистема управления и электропитения приемников L, C и Ku-диапазонов состоит из блока связи, блока питания и вспомогательных эелементов: коробки распределительной и соединительных кабелей.

Блок связи представляет собой корпус, в котором смонтированы два модуля питания: БП-134М и БП-133М, а также две платы: главная плата и плата интерфейса датчиков (ИД-2)

Модуль питания БП-134М осуществляет питание узлов блока связи. Модуль питания БП-133М содержит устройство включение, которое по внешней команде включает питание всего приемника, а также первичный источник питания малошумящих усилителей./p>

Главная плата блока связи выполняет сбор информации о состоянии всех узлов приемника. Центральным элементом платы является микроконтроллер, программное обеспечение которого распознает команды центрального компьютера управления радиотелескопом и преобразует их в импульсы управления работой узлов приемника. По запросу компьютеру предоставляется отчет о состоянии узлов приемника.

Плата интерфейса датчиков (ИД-2) представляет собой четырехканальный преобразователь сопротивления в напряжения. Три из его каналов используются для преобразования сопротивления датчиков криогенной температуры первой ступени охлаждения криоблока, второй ступени и температуры окружающей среды в напряжения, которые затем обрабатываются АЦП микроконтроллера главной платы. Четвертый канал используется в качестве второго каскада усиления для датчика второй ступени охлаждения. Благодаря этому удалось достичь разрешающей способности 0.05 К.

Блок питания содержит чемыре модуля питания (слева направо): БП-109М, обеспечивающий питание термостата БПТ; БП-136М, обеспечивающий питание узлов БГШ; БП-137М(1 - выходное напряжение +24В, 2 - выходные напряжения +24В и -24В), обеспечивающий пиатние узлов БПТ; БП-109М, обеспечивающий пиатние термостата БГШ.

Распределительная коробка содержит датчик температуры окружающей среды

4. Особенности двухканального совмещенного S/X приемника.

Cовмещенный двухдиапазонный S/X приемник был создан в результате глубокой модернизации, проведенной в 2010-2011 гг. При модернизации, наравне с повышением эксплуатационной надежности, улучшением ремонтопригодности и сокращением габаритов и массы аппаратуры решена и задача существенного улучшения основных технических параметров - в первую очередь расширения полосы в Х-диапазоне до 900 МГц, для проведения наблюдений комплексами уровня Mark IV и Mark V.

В S/X приемнике используется двухканальный S-криоблок и одноканальные X-криоблоки, особенности конструкций которых аналогичны диапазонам L и C соответственно. Криостатирующая аппаратура блоков осталась прежней, но заменены сами малошумящие усилители и СВЧ тракты. Выполнен на современной элементной базе вторичный источник питания, расположенный непосредственно на криоблоке.

Блок-схема одного канала совмещенного S/X приемника

Блок преобразования частоты (БПЧ) используется в совмещенном S/X приемнике и объединяет в себе функции БПТ и гетеродина для двух диапазонов одной поляризации. В каждом БПЧ размещена усилительно-преобразовательная аппаратура S и Х-диапазонов и двухчастотный гетеродин.

Все функциональные узлы блоков разработаны по интегрально-гибридной технологии и размещены в одной для каждого диапазона волн микросборке. В результате исключения разъемных соединений между узлами канала и улучшения согласования снижена неравномерность АЧХ, увеличено ослабление шумов зеркального канала и внеполосных помех в диапазоне S. Двухчастотный гетеродин (8.08 / 2.02 ГГц), размещенный в отдельной микросборке, обслуживает каналы обоих диапазонов волн. БПЧ собран в одном термостатированном блоке типовой конструкции, аналогичном БПЧ и обеспечивает прием сигналов обоих диапазонов волн одновременно. Для приема сигналов двух поляризаций в диапазонах волн S/X достаточно двух аппаратурных блоков.

Двухчастотный блок генераторов шума (S/X БГШ) по исполняемым функциям аналогичен одночастотному БГШ и используется в S/X приемнике.

Двухдиапазонный S/X БГШ (13 и 3,5 см)
1024x700>>
Двухчастотный S/X БПЧ (13 и 3,5 см)
1024x700>>

В новом блоке СВЧ-тракты формирования шумового сигнала были разработаны на основе интегрально-гибридной технологии и объединены в микросборки. Это позволило существенно упростить конструкцию, увеличить надежность работы и освободить пространство внутри блока для аппаратуры двух диапазонов.

В БГШ установлены также новые полупроводниковые генераторы шума, отличающиеся малыми габаритами, универсальностью применения засчет широкой полосы работы (до 26 ГГц) и положительным напряжением питания. Для управления узлами блока применен стандартный интерфейс I2C, имеющий всего четыре линии.

Рабочая полоса двухдиапазонного блока расширена до 900 МГц в Х-диапазоне при уменьшении неравномерности СПМШ, что повысило точность амплитудных калибровок приемно-усилительных каналов.

Система управления и электропитания S/X приемника.

Система управления и электропитания S/X приемника построена по архитектуре, принципиально отличающейся от состемы управления и электропитания одноканального приемника. Ключевыми ее особенностями являются: Ориентированность на дистанционную диагностику неисправностей, широкое применение последовательного шины обмена данными, повышенная информативность.

Состав системы электропитания и управления остался прежним, однако значительно изменились функции ее узлов.

Главная плата блока связи выполняет не только функции сбора и обработки информации, а также и управления генераторами шума и модуляторами. Сбор цифровой информации производится по шине последовательного обмена данными I2C. Аналоговые сигналы обрабатываются встроенным в микроконтроллер АЦП. Коммутация осуществляется прецизионным аналоговым мультиплексором. Благодаря полному пересмотру цепей управления ГШ и модуляторами допускаются любые сочетания режимов их работы, что дает большие возможности для проведения дистанционной диагностики неисправностей.

Плата интерфейса датчиков двухканальная (ИД-2-2) является переработанной версией ИД-2. Полностью заменена элементная база. Количество каналов измерения криогенных температур увеличено до 4, причем два из них - двухкаскадные. Каналы измерения температуры окружающей среды были упразднены и заменены цифровыми датчиками, опрашиваемыми по шине I2C.

Плата измерителя токов (ИТ) является нововведением в конструкцию блока связи. Эта плата содержит четыре канала измерения тока потребления МШУ. В качестве измерительных используются резисторы номиналом 0.5 Ом. Для усиления сгналов используются специальные операционные усилители, исключающие влияние измерительной цепи на питающие цепи МШУ. Данные, получаемые от платы измерителя токов позволяют дистанционно опеделять неисправности в питающих цепях МШУ и МШУ. Вследствие того что МШУ в процессе эксплуатации многократно подвергается циклам охлаждение/ нагрев, довольно характерной ситуацией является возникновение коротких замыканий и обрвыов в МШУ. Таки неисправности всегда вызывают значительное отклонение тока потребления МШУ от нормы.

Модуль питания БП-133М2 является переработанной версией БП-133М. Полностью изменена конструкция первичного источника питания МШУ. Использование современных малогабаритных элементов позволило разместить в корпусе модуля два источника питания МШУ, причем с помощью малогабаритных механических реле каждый источник может быть включен или выключен независимо. Это позволяет дистанционно проводить различные диагностические эксперименты, позволяющие определить источник неисправности приемника.

В конструкции БГШ для управления аттенюаторами генераторов шума применены ЦАП, управляемые по шине I2C. Это позволяет быстро изменять значение ослабления аттенюаторов, поскольку в ЦАП необходимый код передается непосредственно. Кроме того, дистанционное управление всеми аттенюаторами позволяет использовать несколько уровней сигнала амплитудной калибровки, а также, в диагностических целях, использовать генератор шума компенсации в качестве амплитудной калибровки.

В БПЧ применена плата управления и диагностики, которая собирает информацию о режимах работы узлов, а также позволяет независимо включать и отключать питание гетеродинов и широкополосных преобразовательных каналов. Это позволяет дистанцонно проводит различные эксперименты для обнаружения неисправностей приемника.

Основные характеристики криорадиометров

Основные характеристики приемников в обсерватории Светлое
Длина волны, (см)ДиапазонДиапазон входных частот, (ГГц)Частота гетеродина, (ГГц)Диапазон выходных частот, (МГц)Ширина полосы выходных частот, (МГц)Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18-21L1,38-1,721,26120-46034010 (HEMT)
13S2,15-2,502,02130-48035010 (HEMT)
6C4,60-5,504,50100-100090010 (HEMT)
3,5X8,18-9,088,08100-100090012 (НEМT)
1,35K22,02-22,5221,92100-60050020 (HEMT)

Основные характеристики приемников в обсерватории Зеленчукская
Длина волны, (см)ДиапазонДиапазон входных частот, (ГГц)Частота гетеродина, (ГГц)Диапазон выходных частот, (МГц)Ширина полосы выходных частот, (МГц)Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18-21L1,38-1,721,26120-46034012 (HEMT)
13S2,15-2,502,02130-48035012 (HEMT)
6C4,60-5,504,50100-100090010 (HEMT)
3,5X8,18-9,088,08100-100090015 (НEМT)
1,35K22,02-22,5221,92100-60050020 (HEMT)

Основные характеристики приемников в обсерватории Бадары
Длина волны, (см)ДиапазонДиапазон входных частот, (ГГц)Частота гетеродина, (ГГц)Диапазон выходных частот, (МГц)Ширина полосы выходных частот, (МГц)Шумовая температура, (К), тип транзисторов МШУ
18-21L1,38-1,721,26120-46034010 (HEMT)
13S2,15-2,502,02130-48035010 (HEMT)
6C4,60-5,504,50100-100090010 (HEMT)
3,5X8,18-9,088,08100-100090030 (НEМT)

Общий коэффициент усиления приемников для всех диапазонов не менее 60 дБ при неравномерности не более 3 дБ.

Параметры приемной системы обсерватории Светлое, Зеленчукская, Бадары приведены в таблице 4, 5, 6 соответственно.

Параметры приемной системы обсерватории Светлое
Диапазон длин волн, смТпр, КТша, КТсис, ККИПSEFD, Ян
18-211038480,6280
131037500,48340
61023330,6180
3,51227390,56250
1,3520801000,31143

Параметры приемной системы обсерватории Зеленчукская
Диапазон длин волн, смТпр, КТша, КТсис, ККИПSEFD, Ян
18-211238500,6285
131240520,5356
61024340,65250
3,51526410,57255
1,352060800,4700

Параметры приемной системы обсерватории Бадары
Диапазон длин волн, смТпр, КТша, КТсис, ККИПSEFD, Ян
18-211035450,59280
131040500,53340
62245670,52320
3,53047,577,50,5300

Тпр - шумовая температура приемника,К;
Тша - шумовая температура антенны (включая АФУ и "небо"), К;
Тсис - шумовая температура системы К;
КИП - коэффициент использованной поверхности;
SEFD - эквивалентная спектральная плотность потока, Ян

На предыдущую страницу
На первую страницу