專利名稱：高頻地波雷達寬頻帶收發開關的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種雷達收發開關，特別是一種用PIN二極管組成的高頻地波雷達寬頻帶收發開關。
用于探測海洋表面動力要素及海面移動目標的中、遠程高頻地波雷達一般采用相控陣天線，由于這種雷達工作頻率很低，為了獲得高靈敏度和高精度，天線口徑可能達到數百米甚至數千米，在海邊尋找可能提供建設這種雷達站的合適地帶確非易事。如果采用收發開關使一付天線供發射和接收共用，就會使占地大大減少，大量節省天線的建設和維護費用，從而增加了這種雷達被廣泛應用的可能性。然而，在發射與接收共站的雷達系統中，大功率發射信號在雷達站本地形成很強的近場信號，這種常被稱為“地波”的信號會使接收機過載，從而不可能正常接收回波。在采用收發天線共用技術的雷達系統中，這種地波干擾更為嚴重，必須在收發開關中加入壓地波脈沖(Blank Pulse)，在發射期間以某種方式有效地抑制地波對接收機的干擾。日本研制的高頻地波雷達GWR(通信綜合研究所季報，短波海洋レ-タ,Vol.37,No.3,1991:343～437)就是采用收發開關使一付雙排8元相控陣天線收發共用，其不足之處是該收發開關為諧振型，工作頻帶太窄，不能滿足寬頻帶高頻雷達的要求。文獻PIN Diode Transmit/Receive Switch for 80-10Meters(Ham Radio,May 1976,p:10-15)介紹的收發開關，可以工作在很寬的頻帶，但由于控制脈沖電路及電源特性很差，適合于短波電臺人工報場合，如果用來控制采用線性調頻中斷連續波(FMICW)的高頻多普勒雷達，控制脈沖不能有效抑制發射信號對接收機的干擾，而且由于電源的不穩定性，接收期控制脈沖對回波信號的調制過程產生附加的干擾會淹沒有用的雷達回波信號，使這種相控陣天線在發射機與接收機之間快速轉換的雷達系統無法正常工作。
為了克服上述諸種收發開關的不足，本實用新型的目的在于提供一種高頻地波雷達寬頻帶收發開關，這種收發開關應具有結構簡單、控制特性好特點，適用于采用線性調頻中斷連續波的寬頻帶高頻雷達的收發開關裝置。
為實現上述目的，本實用新型所采取的技術方案如下一種高頻地波雷達寬頻帶收發開關，包括收發開關主電路和控制脈沖形成電路兩部分，全部采用高穩定性的線性電源，每一組電源都具有良好的去耦電路。收發開關主電路分為含有PIN二極管D1的發射支路和含有PIN二極管D2～D7的接收支路。發射支路D1接成串聯型開關，接收支路D2、D3接成串聯型開關，D34、D5和D6、D7接成分流型開關。T與發射機輸出端相接，R與接收機輸入端相接，A與天線相接。本電路不含諧振回路，因而適合于在整個高頻段工作。電容C1,C2和L1組成高通濾波器，C2～C7為高頻耦合電容，C8～C12為高頻旁路電容。電感L2～L6的阻抗遠高于天線負載阻抗。由B1加入雙極性收發控制射脈沖+TR(發射期+12V，接收期-12V)，B2加入雙極性高電平收發控制脈沖+TR(H)(發射期+240V，接收期-12V)，B3加入雙極性壓地波脈沖+TB(發射期+12V，接收期-12V)。正極性脈沖+TR(H)和+TB的時間寬度相同，但和發射脈沖+TP不同，其前沿與+TP前沿相比提前Δt1，其后沿滯后+TP后沿Δt2，而TB前沿與TR相同，后沿滯后TR的后沿Δt3，如圖3所示。
在發射期，由B1加入的+TP脈沖為+12V，使D1在額定輸入射頻功率下安全運行，同時僅D4,D5導通，D3截止。而由B2加入的+TR(H)脈沖為+240V，使D2反偏截止，由B3加入的+TB脈沖為+12V，使D6、D7正偏導通，R1,R4,R5,R6和R7分別控制它們的正偏流大小。于是天線A與發射機接通，而與接收機R斷開。在接收期，由B1加入的+TR脈沖為-12V，使D1反偏截止，于是天線A與發射機T斷開。與此同時，由B2加入的+TR脈沖和B3加入的TB脈沖為-12V，使D4、D5和D6、D7反偏截止，同時使D2、D3正偏導通，R2、R5和R6控制D2、D3正偏流大小，于是天線A與接收R接通。
本收發開關脈沖形成電路主要由標準遠距離數據傳輸IC對MC1488和MC1489以及NPN與PNP極性互補的三極管對組成，產生不同時寬、雙極性的控制脈沖。由雷達主機中同步控制電路產生的信號TP、TR和TB經MC1488變換成負邏輯(±12V)信號經收發開關中的MC1489變換成TTL電平。其中TR和TB又推動MC1488重新恢復成±12V。由U1A1腳輸入的收發控制脈沖TR(±12V)在其輸出端3腳變為TTL電平負脈沖，經過U2A后恢復為±12V脈沖。隨后控制兩種脈沖形成，一路經過限流電阻R12加到極性互補的Q3、Q4基極，發射期正脈沖使Q3飽和、Q4截止。由于Q3飽和，+240V電源經R13、R14分壓使Q5基極電壓適當低于發射極電壓，使Q5飽和，其集電極電壓為+240V；同時由于Q4截止，R16使Q6基極與發射極等電位、Q6截止。接收期負脈沖使Q3截止、Q4飽和。由于Q3截止，R14使Q3基數與發射極等電位，Q5截止；由于Q4飽和，-12V電源經R15、R16分壓，使Q6基極電壓適當高于發射極電壓，使Q6飽和，二管集電極電壓變為-12V。于是在Q5、Q6集電極得到發射期為+240V、接收期為-12V的雙極性脈沖+TR(H)，通過保護電阻R17和B2為收發開關接收支路高反壓PIN二極管D2提供偏壓。U2B6腳輸出脈沖另一路加給極性互補的三極管對Q1、Q2基極，發射期正脈沖使Q1飽和、Q2截止，二管發射極電壓為+12V；接收期負脈沖使Q1截止、Q2飽和，二管發射極電壓為-12V，該雙極性脈沖+TR通過保護電阻R11和B1點接至收發開關。由U1B4腳輸入的壓地波脈沖TB(±12V)在其輸出端6腳變為TTL電平負脈沖，經過U2B后恢復為±12V的脈沖，發射期正脈沖使Q7飽和，Q8截止，二管發射極電壓為+12V；接收期負脈沖使Q7截止、Q8飽和，二管發射極電壓為-12V，于是得到雙極性的壓地波脈沖+TB，通過保護電阻R18和B3點為收發開關接收支路PIN二極管D6、D7提供偏壓。另外，發射脈沖TP從U1C10腳輸入，8腳輸出TTL電平負脈沖，經反相器U3A輸出TTL電平正脈沖，加到與門U4A1腳。U1A3腳輸出的TR負脈沖，經反相器U3B輸出TTL正脈沖，加到與門U4A2腳，相與后從U4A3腳輸出TTL電平TP脈沖。用此脈沖去控制發射機最后幾級，形成大功率高頻發射脈沖。
本實用新型提供的收發開關使一副天線既作發射又作接收，其特點是采用PIN二極管構成的主電路不含諧振回路，因而能應用于工作頻帶為3-30MHz的高頻雷達和電離層垂直和斜向返回探測儀作為寬頻帶收發開關。該收發開關由雙時間寬度的脈沖控制發射支路和接收支路前三級由收發控制脈沖+TR控制，接收支路最后一級由壓地波脈沖+TB控制，由于收發控制脈沖TR較發射脈沖TP前沿提前Δt1，后沿滯后Δt2，因而使發射支路對高頻發射脈沖實行“先開門后關門”的控制模式，保證了對大功率高頻脈沖的控制。壓地波脈沖前沿比發射脈沖提前Δt1，后沿比TR后沿滯后Δt3，有效抑制高頻發射信號拖尾及收發控制脈沖TR在控制D2和D3時產生的瞬態響應。兩種控制脈沖都是雙極性的(發射期為正脈沖，接收期為負脈沖)，增加了PIN二極管反向恢復電流，從而加速了關斷過程，增加了關斷狀態的隔離度。高反壓PIN二極管D2偏壓電路的特點是，在發射期開始+TB(H)上升，+240V電源通過R2和已經正偏導通的D4對C4充電，由于R2很小(600Ω)，充電時間常數很小，使+TB(H)正脈沖前沿很陡，改善了對D2的控制；在接收期內，D4、D5已反偏截止，R3提供C4的放電回路。接收支路D2采用高質量高反壓PIN二極管，增加了收發開關的可靠性；而D1～D7采用小電流、低反壓PIN二極管，降低了成本。采用D4、D5和D6、D7這種成對接入的控制方式，它們正偏導通時對高頻信號成并聯接地，花很小的代價就使每一級隔離度比單管控制增加6dB，并且使壓地波脈沖在接收支路引起的過渡沖激大大減小。
本收發開關脈沖形成電路的特點在于利用MC1489和MC1488以及由PNP和NPN極性互補的三極管對集中形成雙時寬、雙極性控制脈沖，可以同時并聯控制八路開關，大大簡化了電路，提高了電源效率，且脈沖波形具有很陡的前沿。脈沖電路用一對集成電路U1(1489)和U2(1488)恢復輸入雙極性控制脈沖，消除了由遠程送入的發射脈沖TP，收發控制脈沖TR和壓地波脈沖TB的衰減和畸變，增加了控制電路的精確性和可靠性。中等功率極性互補的高頻三極管Q1和Q2，Q7和Q8接成射極輸出形式，十分方便地形成兩路低電平雙極性脈沖。高電平控制脈沖形成電路的特點是，4只三極管都是高反壓的，兩兩構成極性互補的集電極輸出形式，在Q3(或Q4)飽和導通時，R13、R14(或R15、R16)組成的分壓器使Q5(或Q6)的基極得到合適的電壓而飽和導通，使Q5(或Q6)集電極電壓為+240V(或-12V)，從而得到發射期為+240V、接收期為-12V的高電平收發控制脈沖+TR(H)。三個脈沖輸出電路分別串入電阻R11、R17、R18、它們分別是相應PIN二極管偏置電路中偏流電阻的一部分，當外部電路偶然對地短路時，這些電阻分別對輸出三極管起保護作用。
本實用新型收發開關脈沖形成電路全部用高穩定性的線性電源供電，每一組電源都接有良好的去耦電路，使控制脈沖的相位和幅度十分穩定，避免了控制脈沖對回波信號的調制過程中由于電源不穩所產生的附加干擾。
圖1是本實用新型寬頻帶收發開關主電路。
圖2是本實用新型控制脈沖形成電路。
圖3是本實用新型輸入信號波形圖。
以下結合附圖和具體實施方案對本實用新型作進一步詳細說明一種高頻地波雷達寬頻帶收發開關，包括收發開關主電路和控制脈沖形成電路兩部分組成，全部采用高穩定性的線性電源，每一組電源都具有良好的去耦電路。收發開關主電路分為含有PIN二極管D1的發射支路和含有PIN二極管D2～D7的接收支路。發射支路D1接成串聯型開關，接收支路D2、D3接成串聯型開關，D4、D5和D6、D7接成分流型開關。T與發射機輸出端相接，R與接收機輸入端相接，A與天線相接。
圖1所描述的收發開關主電路分為以PIN二極管D1為核心的發射支路和以PIN二級管D1～D7為核心的接收支路，實質上構成一個單刀雙擲開關，其中定點A與天線相接，兩個動點T和R分別與發射機和接收機相接。在發射支路中，D1為UM4001型大功率PIN二極管，電容C1,C2均為1120PF,C8為0.01μF，電感L1等于1.55μH,L2等于100μH,R1為100Ω,R11為50Ω，使D1正偏流等于80mA。在接收支路中，D2為UM4906型高反壓PIN二極管，D3～D7均為HSMP-382X型小電流PIN二極管。電容C3～C7，和C9～C12均為2200pF，電感L3～L6均等于100μH。接收期B2加入的+TR(H)為-12V使D2正偏導通，R2為390Ω,R17為200Ω，使D2正偏流為20mA。發射期開始，+240V電源經過R2和已正偏導通的D5對C4充電，時間常數為6μs，形成+TR(H)正脈沖很陡的前沿。接收期C4通過R3放電。R3為1.5KΩ，通過調整R15使Q6充分飽和，使控制脈沖后沿小于20μS。B3加入的+TB發射期正脈沖使D6和D7正偏導通，接收期負脈沖使D6和D7截止。R4、R5、R6和R7均等于1.2KΩ，使D4～D7正偏流等于5mA。
由T送入的發射機輸出的大功率線性調頻信號如圖3(b)所示，由于受圖3(a)的發射脈沖控制產生，總有一定的前沿和后沿，在接收期發射機輸出也不是零電平。D1也受收發脈沖控制，反偏時存在反向恢復時間，使D1不能在t2時刻迅速關斷，致使發射延時拖尾信號在接收期串入接收機。圖3(c)示出的收發脈沖TR和壓地波脈沖TB前沿較發射脈沖TP提前Δt1=10μs，后沿TR較發射脈沖TP滯后Δt2=10μs，壓地波脈沖TB較發射脈沖TP滯后ΔT3=20μs，能有效抑制串入接收支路的地波干擾。而且，控制脈沖是雙極性的，減小了D1的反向恢復時間，加速了D1的關斷過程，同時由于減小了D1的反偏電容，從而增加了D1的隔離度，減小了發射機在接收期的輸出對接收機的干擾。
本實用新型收發開關脈沖形成電路如圖2所示，由兩只高穩定性線性穩壓電源提供+240V和+5V,±12V電源。U1為MC1489；由+5V給14腳供電，由1、4腳和10腳分別加入圖3描述的雙極性收發脈沖TR、壓地波脈沖TB，在3、6和8腳分別得到這三種脈沖的TTL電平負極性脈沖。V2為MC1488,1腳接-12V，14腳接+12V電源，在它的輸出端3腳和6腳分別得到被恢復的雙極性收發脈沖和壓地波脈沖。U1C8腳輸出負極性TP經反相器U3A反相送入與門U4A1腳，U1A3腳輸出的負極性TR經反相器U3B反相進入與門U4A2腳，相與后輸出正極性TTL電平的發射脈沖TP，用此脈沖控制發射機產生高頻大功率發射脈沖輸出。只有同時存在TR和TP時發射機和收發開關才工作，避免了收發開關因TR脈沖不正常被發射機輸出的大功率信號損壞。在Q1、Q3為NPN型三極管3DK4，Q2和Q8為PNP形三極管SB550，在Q1和Q2、Q7和Q8的發射極分別輸出±12V的雙極性收發脈沖+TR和壓地波脈沖TB，保護電阻R11和R18均等于50Ω。U26腳輸出脈沖經100KΩ電阻R12控制雙極性高電平壓地波脈沖形成電路。Q3為NPN型三極管KPS42,Q4為PNP型三極管KSA92，它們接成集電極輸出形式。Q5為PNP型三極管KSA92,Q6為NPN型三極管BU406，它們均接成集電極輸出形式。Q5由+240V電源經過R14和R14、Q3分壓獲得基極電壓，Q6由-12V電源經過R16和R15、Q4分壓獲得基極電壓。發射期正脈沖使Q3飽和、Q4截止。Q5由于基極電壓變低而飽和，其集電極電壓為+240V；同時Q6因基極與發射極等電位而截止。反之，接收期負脈沖使Q3截止、Q4飽和，Q5因基極與發射極等電位而截止，Q6因基極電壓上升而飽和，其集電極電壓為-12V，于是在壓地波脈沖TB作用下，Q5、Q6集電極輸出正極性為+240V，負極性為-12V的高電平雙極性壓地波脈沖+TB(H)，經過200Ω保護電阻R17為收發開關接收支路高反壓PIN二極管D2提供偏壓。
權利要求1．一種高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于該收發開關包括收發開關主電路和控制脈沖形成電路，收發開關主電路分為含有PIN二極管D1的發射支路和含有PIN二極管D2～D7的接收支路，發射支路D1接成串聯型開關，接收支路D2、D3接成串聯型開關，D4和D5及D6和D7分別接成分流型開關，動點T與發射機輸出端相接，動點R與接收機輸入端相接，動點A與天線相接，由控制脈沖形成電路向收發開關主電路的B1加入雙極性收發控制射脈沖+TR，向收發開關主電路的B2加入雙極性高電平收發控制脈沖+TR(H)，向收發開關主電路的B3加入雙極性壓地波脈沖+TB。
2．根據權利要求1所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于發射支路C1、C2和L1組成高通濾波器，電感采用高Q空心線圈，電容采用高Q，耐壓大于1000V的陶瓷電容，以承受大功率。
3．根據權利要求1所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于壓地波脈沖TB與發射脈沖TP以及收發脈沖TR同周期，但TB正脈沖前沿與TR的前沿相同，但與比TP沿提前Δt1,TB正脈沖后沿比TR后沿滯后Δt3，比TP后沿滯后Δt2+Δt3,TB、TP和TR均為±12V雙極性脈沖。
4．根據權利要求2所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于在脈沖形成電路中，發射脈沖TP和壓地波脈沖TB和收發脈沖TR由遠距離數據傳輸集成電路對MC1488、MC1489在雷達主機與天線收發開關間傳輸，然后TR和TB又由MC1488恢復成雙極性脈沖分別控制三路由PNP、NPN極性互補的三極管組成的脈沖形成電路。
5．根據權利要求2所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于在脈沖形成電路中，由Q1、Q2產生雙極性收發射脈沖+TR，兩個三極管為NPN型、PNP型極性互補，基極相連，互為發射極負載接成射極輸出電路，且輸出電路中串聯電阻R11。
6．根據權利要求2所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于在脈沖形成電路中，由Q7、Q8產生雙極性壓地波脈沖+TB，兩個三極管為NPN型、PNP型極性互補，基極相連，互為發射極負載接成射極輸出電路，且輸出電路中串聯電阻R18。
7．根據權利要求2所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于在脈沖形成電路中，由Q3、Q4、Q5、Q6產生高電平雙極性收發脈沖+TR(H)，4只三極管兩兩極性互補接成集電極輸出電路，NPN型三極管Q3與PNP型三極管Q4基極相連PNP型三極管Q5與NPN型三極管Q6互為集電極負載，Q3與Q5極性互補，正電源經R14、R13分壓為Q5基極偏置，D4與Q6極性互補，負電源經R16、R15分壓為Q6基極偏置，輸出電路中串聯電阻R17。
8．根據權利要求1所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征是發射支路D1由雙極性低電平收發脈沖+TR控制，接收支路D2由高電平雙極性收發脈沖+TR(H)控制，接收支路D3、D4和D5由雙極性低電平TR脈沖控制，D6和D7由雙極性低電平壓地波脈沖+TB控制。
9．根據權利要求1所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于脈沖形成電路集中產生的雙時寬、雙極性脈沖同時并聯控制多路收發開關。
10．根據權利要求1所述的高頻地波雷達寬頻帶收發開關，其特征在于控制發射機的發射脈沖TP是由收發脈沖TR和TP經與門U4A提供。
專利摘要本實用新型公開了一種適用于高頻雷達的寬頻帶收發開關,PIN二極管組成的開關主電路分為發射支路和接收支路,均不含諧振回路。集成電路對MC1488和MC1489以及NPN、PNP極性互補的三極管組成的控制脈沖形成電路由高穩定性線性穩壓電源供電,集中產生雙時寬、雙極性控制脈沖,可以同時并聯控制8路收發開關主電路,其中收發脈沖+TR控制發射支路PIN二極管D
文檔編號H04B1/48GK2449243SQ0023219
公開日2001年9月19日 申請日期2000年10月20日 優先權日2000年10月20日
發明者楊子杰, 吳世才, 石振華 申請人:武漢大學