Не секрет что, расширение полосы излучение приводит к повышению информативности. Первый серьезный комерческий  шаг в этом направлении был сделан несколько лет назад и сейчас никого не удивляет широкополосный модем (DSL) или безпроводные сети WLAN на скорости 50Мбит. Широкополосная техника довольно быстро обосновалась на рынке. И теперь естественное желание расширить полосу еще шире, тем самым перейти от широкополосных сигналов к сверхширополосным. Это даст большую скорость средствам связи, увеличит точность радаров, расширит информативность сенсоров и т.п.

                Примерно так стоило бы начать начать рассказ о схемотехнике СШП. Не загорами тот день когда появяться книги по СШП и вы сможете вдоволь насладиться этой лапшой. Поэтому не отнимая чужой хлеб и экономя килобайты винчестера постараюсь кратенько описать схемотехнику с точки зрения радиолюбителя на сколько это возможно.

И так  для начала работы Вам потребуется минимальный набор инструментов:

1)    Паяльник не более 30Вт (если у Вас паяльная станция с электростатической защитой, не огорчайтесь, она тоже подойдет)

2)    Источник питания (импульсный не использовать! Лучше всего старая батарея от BACK-UP или на худой конец простые лабораторные блоки типа HP E3631)

3)    Хорошее заземление, электрастатический коврик и браслет. Если же Вам не охота землить все что может иметь статику, то надень те свой любимый шерстяной свитер и старайтесь паять аккуратно чтобы схема выглядела красиво и ее можно было поставить куда нибудь на самое видное место (на полочку за стекло и т.п). Работать она может и будет но, большинство транзисторов и диодов используемых в СШП черезвычайно чувствительны к электростатике. Так что у Вас есть все шансы убить конструкцию еще на этапе сборки. Мой личный рекорд 10 транзисторов за день. Особенно приятно, когда полупроводник не «выгорает» а лишь частично повреждается. Схема работает но не так как ожидалось…

4)   Мультиметр (достаточно APPA109 или HP34401)

5)   Осцилограф c функцией рефлектометра (старенький б.у HP54122 или 124 купленый через итернет барахолку в полне сойдет . Если же Вы бредите мегаватами то лучше использовать отечественное чудо C7-19. Он дубовый но не стробоскоп ! что не мало важно. Но в виду дубовости не забудьте его отколибровать по частоте, врет со страшной силой на 200пс развертке)

6)   Спектроанализатор (Это конечно не достойно истиного фэна СШП обращать свой взор к приборам частотной области, но лично мне это помогает. Может помочь и Вам. Достаточно б.у HP8560)

7)   Импульсный генератор (достаточно HP8133, отечественного Г5-80 желательно избегать)

Это пожалуй и все. Конечно по мере надобнасти приходиться использовать дополнительные приборы : свипер, нетворк, измеритель мощности и т.д. Поэтому не засовывайте их далеко, длинными зимними вечерами они еще могут согреть небольшую комнату…

Теперь устанавите приборы на ваш рабочий стол. Если Ваш стол не будет похож на склад в виде небоскребов из стоек HP приборов посреди которых есть маленькая лужайка в виде клочка электростатического коврика. Вероятно  Вы всё еще испытываете не приодолимые трудности с пуктами 5-7 ?  Но это не значит, что Вы не сможете заниматься СШП. Более того пустое место на столе может занять компьютер с предварительно установленным програмным обеспечением по проектированию СВЧ. Сейчас довольно богатый набор П.О. позволяющий разрабатывать схемы без паяльника. Конечно это работа почти в слепую не может полностью заменить приборы, но все же это лучше чем ничего. И так вместо груды железа от HP можно поставить софт от HP. Весит он около 2.5Гбайт. Если это не останавливает, то стоит предупредить что  после установки и успешного старта, убогий интерфейс софта может нанести не поправимый вред вашей психики, особенно если Вам не удалось застать времена DOS. Сам по себе софт не плохой, но расчитан не на радиолюбителя. Конечно его можно освоить, руководство достойное похвал. Но я бы порекомендовал начать с чего нибудь более простого. Например SONNET-Lite справиться с большинством простых схем (сь.раздел софт), да и весит всего 20 Мбайт. Со временем можно безболезненно перейти на MWO благодаря ЕМ конвертеру, к тому же версия Lite бесплатна.  Ну вот , можно смело браться за дело.

Чтобы Вы не делали СШП сенсор, радарчик или устройсво связи, в любой схеме потребуется источник СШП сигнала. Существует масса способ получения источника сигнала с очень широкой полосой, поэтому под «крышой» СШП собралась разношерстная техника. Не в силах описать все возможные варианты получения СШП сигнала, рассмотрим только те что проверены при помощи паяльника.

Импульс типа ступенька или перепад напряжения.

Рис.1

Это один из наиболее часто встречаемых в измерительной технике СШП видео импульс. Его получают при помощи быстродействующих

полупроводниковых приборов : тунельный диод, диод с накоплением заряда (SRD) или транзисторах с лавинными переходами. Схема на тунельном диоде наиболее «шустрая» , но в то же время получаемое напряжение самое маленькое из всех возможных вариантов. На рис.1(а) показана схема формирователя перепада напряжения. Поскольку используется парралельное включение диода, славящееся плохой развязкой вход\выход, то наличие фильтра на входе весьма оправданно. Минимизация паразитных связей достигается конструктивно Рис.1(б), в целом это типичная СВЧконструкция. Принадлежость к СШП выдает лишь наличие демфирующих резисторов, которые были бы излишни в узкополосном решении.  По заявлению разработчиков такая конструкция позволяет получить перепад 20пс при амплитуде в 200мВ. Такой импульс подойдет разве что для рефлектометра или приемника.

Рис.2

Для передатчика требуется большая амплитуда сигнала, поэтому рассмотрим более мощную схему на  SRD диоде Рис.2. Это типичная схема включения которую можно встретить в любом описании на  SRD. Работает она следующем образом, на диод подается постоянное смещение тока которое открывает диод. Поскольку в статическом режиме SRD ведет себя как PIN диод, то не трудно догодаться что мы имеем К.З. по отношению к генератору. Теперь при появление слабого фронта( 10нс-2нс) импульса от генератора (им может быть генератор собранный на логических элементах серия 74AC дает фронт 2-3нс или мощный транзистор) весь сигнал падает на диод. Заряд накопленный за время действия тока смещения начинает медленно изменяться, но диод ведет себя по прежнему как PIN. На выходе схемы  тишина. Наконец равновесие нарушается и диод резко закрывается и напряжение генератора попадает на нагрузку. В результате мы имеем на выходе сигнал с более резким фронтом чем на входе. Чем выше амплитуда входного сигнала тем выше амплитуда и выходного сигнала. Потери в 6дБ очевидны при таком простом решении, но их можно уменьшить за счет введения цепей развязки. Достоинством данной схемы является не только простота, но и возможность каскадирования (см.Рис.3). Если на одном диоде можно получить импульс с фронтом в 300пс , то на двух каскадах 100пс и на трех аж 50пс (конечно если нет физических ограничений). При сигнале в 200пс (и меннее) стоит переходить на воздушные полосковые линии. Если Вы делаете передатчик то лучше всего поместить диод в антенну. Куском волноводного тракта послужит резонатор рупора он же обеспечит излучение. Т.о. можно минимизировать паразитные связи и решить проблему экранировки.

Рис.3

Моноимпульс. Однополярный видео импульс, часто используемый в СШП передатчиках, можно получить при помощи преобразования имульса ступеньки. Сущуствуют различные способы пассивного формирования моноимпульса их стпеньки –RC дифферинцирование на низких частотах, короткозамкнутые(К.З.) линии или возбуждение замкнутых систем, в целом это различные реализации одной и той же идеи. Различие лишь в преимуществах и недостатках. Поэтому достаточно рассмотреть лишь один из способов -сигнал типа ступенька пропускается через линию содержащию коротко замкнутый отрезок (см.Рис.4).

Рис.4

Проходя через этот отрезок, сигнал отражается от края К.З. с инверсией (согласно предельным краевым условиям, см. рефлектометрия в разделе фундамент). Спустя время определяемое временем пробега волны по отрезку, отраженный сигнал возражается в линию передачи и складывается с прямым. Поскольку он инверсный по отношению к сигналу прямого прохождения, то мы получаем моноимпульс (ступенька вверх и стуненька вниз, разнесенная друг от друга на время пробега волны по отрезку). Т.о. желаемую длительность импульса можно получать при помощи выбора длинны отрезка с К.З.

Рис.5

Очевединым недостатком пассивного преобразования является потеря пикового напряжения и мощности в целом. Логично добавить активный элемент в схему преобразования как показано на рис.5а. Здесь преобразователем выступает дифференцальная RC цепь. Ее использование опрадно лишь тем что входной сигнал имеет слабый фронт –2нс (типично для AC), а значит использовать отрезок К.З. весьма громозко. Все что остается от 5В сигнала это маленький тычок, но его вполне достаточно чтобы открыть затвор транзистора. Теперь мощность и точность сигнала зависит от того насколько хорош транзистор. К примеру ATF55 обладает быстрым переключением и удобным питанием.На рисунке (рис.5б) показаны сигналы получены при помощи моделирования данной схемы. При моделирование опущено влияние корпусов, монтажа и печ.платы поскольку диапазон рабочих частот схемы невысок.

Рис.6

Биполярный импульс – по моему глубокому убеждению это переходное состояние между видео и радиоимпульсом. О преимуществах радиоимпульсов перед видео сигналами говорить не приходиться, поэтому популярность этого импульса оправдана. Не трудно понять, что методы которыми были получены моноимпульсы из сигнала типа ступеньки можно использовать и для получения биполярного импульса. Только теперь заготовкой послужит моноимпульс. Для получения биполярного импульса при помощи линии с К.З. необходимо выбрать отрезок т.о. чтобы время прохождения импульса по отрезку было не более чем длительность моноимпульса на входе. В идеале эти времена должны быть равны, тогда на выходе вы получете биполярый импульс с длительностью в два раза большей чем моноимпульс. Аналогичная ситуация и в активном преобразовании. Путем внесения в схему на рис.5 дополнительную цепь преобразования вместо резистивной нагрузки мы получаем биполярный импульс (рис.6). В отличии от предыдущей схем, здесь учтено влияние паразитных связей и трассировки, а цепь нагрузки выполненна в виде распределенных элементов. Это создает более простой и точный дизайн. Однако требует выполнение дополнительного электромагнитного моделирования, поэтому стоит знак EM-box. Для разнообразия полевой транзистор заменен на биполярный, кроме этого видно что использована другая программа моделирования (тоже для разнообразия конечно).

Теперь несколько слов о приеме сигнала. В приемнике используются те же методы, что и в широкополосной измерительной технике, поэтому условно можно выделить два направления : стробоскопический метод и метод прямого преобразования. Конечно не надо забывать и про обычные методы которые используют при работе с узкополосным радиосигналом. Но как правило, они подходят лишь в том случае если Вы работаете с синусоидальным СШП сигналом.

Рис.7

Метод прямого преобразования –принципиально очень прост, принимаемый с антенны сигнал надо усилить до необходимого уровня, так чтобы его можно было оцифравать на АЦП, а далее обрабатывать сигнал в цифровом виде. Технически реализация этого простого метода затруднительна в виду того, что спектр СШП сигнала очень широкий (от 500МГц и более) и АЦП  должно оцифровывать со скоростью не менее 1ГГц. Представляете себе поток в 1Гбайт с выхода АЦП? Тут есть о чем подумать….

Стробоскопический метод - позволяет сочетать большую широкополосность и высокую чувствительность при осциллографировании повторяющихся (не обязательно периодических импульсов.) Принцип действия стробоскопического метода заключается в том, что исследуемый импульс малой длительности при помощи СП преобразуется в импульс большей длительности той же формы, который может усиливаться и регистрироваться относительно низкочастотными устройствами. Отношение длительности преобразованного и входного сигналовназывается коэффициентом трансформации. Коэффициент трансформации может принимать очень большие значения (10³-10⁸). Стробоскопический метод подробно описан в разделе "Осциллографирование наносекундных импульсов", поэтому здесь мы рассмотрим лишь один из способов формирования строба (см.Рис.7). Это схема часто встречается в СШП радиолюбительских конструкциях. В начальный момент времени диоды заперты, поэтому входной сигнал не может попасть на конденсатор который служит для накопления напряжения. Под действием сигнала стробирования (sampling pulse) диоды открываются и СВЧ пропадает на конденсатор. После окончания сигнала стробирования, диоды закрываются, а накопленное напряжение остается на конденсаторе. Величина накопленного напряжения пропорционально напряджению СВЧ сигнала в момент стробирования. Это напряжение может относительно долго храниться на конденсаторе, а значит его можно снять при помощи обычного ОУ.  Для того чтобы диод работал нормально надо выбирать рабочую точку на линейном участке так чтобы при любом значении входного сигнала диод оставался на этом участке. Обычно это достигается путем доминирования сигнала стробирования над входным сигналом, хотя это и приводит к очень сильным интермодуляционным искажениям. Иногда эту схему упрощают до двух диодов. В этом случае схема становиться однополярной, потери резко возрастают, но упрощается цепь стробирования.