Транзисторные сверхрегенеративные приемопередающие устройства с повышенным потенциалом в системах радиолокации и связи

Актуальность темы

Сверхрегенеративные усилители (СУ), с момента их изобретения в 1922 году [1], в силу их очевидных достоинств — высокой чувствительности, большого усиления в широком диапазоне частот, малых габаритов, простоте конструкции, экономичности получили широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах в качестве приемных устройств коротковолновых линий связи, первых образцов радиолокаторов, радиовзрывателей, радиомаяков и т. д.

Результаты исследований, опубликованные в трудах Whitehead I.R., В. Томсона, Г. С. Горелика и Г. М. Гинца [2 — 6], позволили, в частности, выяснить основные особенности работы СУ в линейном и нелинейном режимах, установить факторы, определяющие формирование гребенчатой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и явление кратного резонанса. Исследование классического СУ при воздействии внешних шумов и импульсных сигналов было выполнено Л. С. Гуткиным [7 — 9]. В трудах В. Я. Хевролина [10], Г. Б. Ольдерроге [11], Д. Д. Кловского [12] были получены оригинальные результаты решений математических моделей СУ. В 60-е годы сформировалось направление исследований связанное с изучением параметрических СУ используемых в качестве параметронов и квантователей фазы узкополосных сигналов выполненных С. А. Ахмановым, В. П. Комоловым и И. Т. Трофименко [13 — 15]. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований классических СУ было опубликовано в монографии М. К. Белкина [16]. Дальнейшее развитие теории и практики СУ получило в трудах Г. И. Кравченко и его сотрудников [17 — 22]. В монографии [22] обобщены новые результаты исследования СУ. В рамках метода медленно меняющихся амплитуд разработан и предложен метод частичного укорачивания для решения дифференциального уравнения СУ. Предложены математические модели классического и параметрических СУ при однократном и многократном запусках. Развита теория ударных колебаний (УК) в СУ, предложены методы их оценки. В работе приведены примеры оригинальных разработок радиотехнических систем на основе применения СУ.

Одновременно с исследованием СУ другими специалистами проводились работы по применению СУ в качестве сверхрегенеративных приемопередатчиков (СПП). В монографии А. Ф. Кузенкова и В. Н. Ермакова опубликованы результаты широкого применения ламповых СПП в составе аэрологических радиозондов [23]. Весьма эффективным оказалось применение бортовых СПП в отечественных системах радиозондирования атмосферы для измерения наклонной дальности, угловых координат и передачи телеметрической информации. Максимальная дальность и надежность работы канала связи определяются параметрами СПП: чувствительностью в приемном режиме, мощностью излучаемых радиоимпульсов, рассогласованием частот приема и передачи. Отношение величины излучаемой мощности радиоимпульса к величине предельной чувствительности приемного режима СПП определяется как потенциал приемопередатчика.

Однако в известных работах исследования ограничивались качественным анализом и не были представлены количественные оценки для факторов, влияющих на чувствительность приемного режима и излучаемую мощность. Так при попытке создания полупроводникового СПП было установлено, что высокая чувствительность может быть получена только в линейном режиме [24]. При этом уровень выходной мощности, КПД и стабильность работы оказываются низкими.

В исследованиях В. Э. Иванова было показано, что для повышения эффективности работы в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП необходимо осуществить самовозбуждение при минимальном токе запуска и обеспечить жесткий характер установления автоколебаний [25 — 29]. Это позволяет реализовать оптимальный закон затухания контура в приемном и передающем режимах работы СПП и независимо регулировать их характеристики: полосу пропускания и ширину спектра излучения. При этом высокая стабильность работы СПП обеспечивается путем стабилизации среднего тока СВЧ-автогенератора.

Основываясь на опубликованных результатах важно получить количественные оценки влияния внешних и внутренних факторов на параметры СПП и учесть их при проектировании реальных конструкций. Следует считать актуальным дальнейшее исследование механизма формирования приемного режима СПП с высокой чувствительностью к внешнему сигналу, определение факторов, влияющих на процесс быстрого (жесткого) установления стационарных автоколебаний (перехода в передающий режим). Исследование характеристик СПП в режимах запуска и установления стационарной амплитуды колебаний позволит обоснованно формировать требования к схеме управления и параметрам СВЧ-автогенератора СПП.

Известные результаты позволяют продолжить исследование особенностей работы СПП в декрементном и инкрементном режимах при изменении затухания контура, являющегося функцией тока СВЧ-транзистора. Особый интерес вызывает режим работы СПП при нулевом (граничном) значении затухания. Предельная чувствительность СПП в приемном режиме определяется флуктуационными шумами тока активного прибора и элементов колебательного контура именно при граничном значении затухания. Оценка влияния шумов на параметры СПП в этом режиме позволяет определить реально достижимую чувствительность и эффективную полосу пропускания СПП.

Запуск СПП осуществляется импульсами тока, которые вызывают УК в контуре, оказывающие существенное влияние на снижение реальной чувствительности СПП. Определение условий запуска, при которых достигается минимальный уровень УК, позволит достигнуть гарантированной чувствительности при серийном производстве СПП.

Следует подчеркнуть, что недостатками современных серийно выпускаемых СПП радиозондов на интегральных модулях М45 302 являются недостаточно высокая чувствительность к запросному сигналу (минус 85 дБ/Вт), значительное отличие частот приема и передачи (до 15 — 20 МГц), низкий КПД (0,10 — 0,15) [30]. Повышение чувствительности СПП в приемном режиме позволяет значительно увеличить дальность работы канала радиосвязи, а в системах радиолокации с активным ответом в канале «Радиолокатор — радиозонд» существенно снизить требуемую максимальную мощность излучения передатчика запросного сигнала радиолокационной станции. Самостоятельное значение имеет решение задач, связанных с разработкой высокоэффективных СПП для систем аналоговой и цифровой связи.

Таким образом, исследование и разработка методов построения транзисторного СПП с повышенным потенциалом позволит существенно усовершенствовать тактико-технические характеристики систем связи и радиолокации. Поэтому необходимо провести исследования в направлении уточнения особенностей работы СПП путем моделирования режимов его работы и выработки рекомендаций для создания реальных конструкций отвечающих современным требованиям.

Работа выполнялась по направлению исследований и создания технических средств радиозондирования и связи, проводимых на радиотехническом факультете ГОУ ВПО УГТУ-УПИ по постановлению Правительства СССР, целевым программам Росгидромета РФ, заказам предприятий радиотехнического профиля.

Целью работы является разработка методов расчета основных характеристик и создание опытных образцов СПП с повышенным потенциалом.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо осуществить:

1. Разработку математической модели расчета обобщенной регенеративной характеристики (ОРХ) сверхрегенеративного приемопередатчика, позволяющей определить зависимость регенеративных свойств от управляющих токов, коэффициента обратной связи и импеданса нагрузки, с целью выбора оптимальных условий запуска СПП с быстрым установлением колебаний.

2. Разработку процедуры оценки влияния флуктуаций фактора регенерации СПП на величину полосы пропускания контура в граничном режиме, получение количественных оценок минимально достижимой полосы пропускания в условиях многократного запуска.

3. Провести исследование на основе математической модели СПП с переменным затуханием контура воздействия флуктуационных колебаний (ФК) на чувствительность сверхрегенеративного приемопередатчика для различных режимов запуска.

4. Разработку математической модели СПП с переменным затуханием контура, учитывающей воздействие УК, определение условий снижения амплитуды УК в приемном режиме и создание методики экспериментальной оценки их влияния на реальную чувствительность устройства.

5. Создание на основе результатов исследований образцов СПП в диапазоне СВЧ на биполярных и полевых транзисторах с повышенным потенциалом.

Методы исследования (анализа). Поставленные в диссертационной работе задачи решаются методами численного решения неоднородных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, гармонической линеаризации, компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения ОРХ, определяющей характер установления и амплитуду стационарных колебаний в СПП для всех возможных значений коэффициента обратной связи, импеданса нагрузки, управляющих пусковых и гармонических токов.

2. Флуктуации фактора регенерации определяют минимальную полосу пропускания и предельную чувствительность СПП в граничном режиме.

3. Скорость нарастания и амплитуда переднего фронта импульсов тока запуска автогенератора, величина собственного затухания контура, закон изменения затухания контура в приемном режиме должны быть взаимно согласованы с целью снижения амплитуды УК и соответствующего увеличения предельной чувствительности СПП.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований.

1. Обосновано использование ОРХ для исследования процесса установления автоколебаний, выбора основных параметров СПП для повышения энергетического потенциала — достижения предельной чувствительности и максимальной выходной мощности излучения.

2. Установлена количественная зависимость минимальной величины полосы пропускания колебательного контура от уровня флуктуаций пускового тока и фактора регенерации СПП в граничном режиме для оценки предельной чувствительности.

3. Разработана методика количественной оценки чувствительности СПП при изменяющемся затухании контура с учетом влияния дробовых флуктуаций тока запуска и тепловых шумов на основе математической модели СПП в линейном режиме.

4. Разработана методика количественной оценки УК на основе линейной математической модели СПП, учитывающей воздействие УК, при изменяющемся затухании контура, определены условия минимального влияния амплитуды УК на чувствительность и режимы работы СПП.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты использованы для создания образцов транзисторных СПП диапазона СВЧ с повышенным потенциалом.

1. Разработанная в диссертационной работе методика выбора на основе расчета ОРХ величин граничного значения тока эмиттера и стационарной амплитуды автоколебаний, сопротивления нагрузки для формирования быстрого установления автоколебаний позволяет повысить эффективность проектирования при создании опытных образцов СПП.

2. Созданное программное обеспечение для построения ОРХ, определения уровня ФК и УК в контуре позволяет анализировать работу СПП на выбранных разработчиком СВЧ-транзисторах и дает существенное сокращение объема экспериментальных исследований при проектировании устройства.

3. Определены требования к форме переднего фронта и амплитуде импульсов запуска автогенератора СПП, непосредственно влияющие на выбор схемотехнического решения генератора суперирующего напряжения, что уменьшает время проектирования устройства.

4. Разработанные транзисторные СПП, имеющие повышенные чувствительность, мощность, стабильность частоты, меньшую величину рассогласования частот приема и передачи, по сравнению серийными прототипами позволяют повысить технические характеристики устройств систем связи и радиозондирования.

5. Созданный технологический стенд и методика настройки СПП позволяют устанавливать оптимальные параметры запуска, выбранные по рассчитанной ОРХ. Обеспечить максимальные значения реальной чувствительности и выходной мощности радиоимпульсов, а также повторяемость выходных параметров СПП при серийном производстве.

Внедрение научных результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы, реализованные в конструкции СПП, внедрены в опытно-конструкторские работы и серийное производство аэрологических радиозондов и радиолокаторов на предприятиях ОАО «УПП «Вектор» г. Екатеринбург, ОАО «Радий» г. Касли. Получены акты внедрения разработанных опытных СПП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах: «Системы радиоэлектроники, связи и управления» per. НТК Екатеринбург, 1992; «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» III Всероссийская НТК (с участием стран СНГ), Ульяновск, УлГТУ, 2001; «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» межд. НТК III Евро-Азиатский форум «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006», Екатеринбург, 2006, (3 доклада) — «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», межд. НТК, Екатеринбург, УрГУПС, 2006 (2 доклада) — «Наука-Образование-Производство: Опыт и перспективы развития», per. НТК, Н. Тагил, ГОУ УГТУ-УПИ Нижнетагильский технологический институт, февраль, 2007.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 5 статей, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и в 4 патентах.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 64 наименований, 2 приложений, изложена на 158 страницах машинописного текста, в котором приведено 52 рисунка и 1 таблица.

5.7. Выводы.

1. Проведены исследования и рассмотрены направления для дальнейшего повышения выходных характеристик СПП на основе использования высокоэффективных СВЧ полупроводниковых приборов и новых диэлектрических СВЧ-материалов для стабилизации частоты приема и излучения.

2. Приведены результаты разработки СПП аэрологического радиозонда с повышенным потенциалом:

— уровень импульсной выходной мощности транзисторного СПП для радиозонда составляет Дых и >1,5 Вт при длительности радиоимпульсов т и ср >0,25 мкс и имеет КПД 35%, что превышает показатели серийного изделия (15−20%);

— чувствительность модуля СПП для системы радиозондирования на рабочей частоте 1680 МГц повышена до уровня #пр < - 95 дБ/Вт.

3. Полученные в результате разработки экспериментальных образцов СПП для радиозондов уровни импульсной и средней мощности, а также длительности излучаемых СПП радиоимпульсов, позволяют обеспечить дальность действия радиоканала «РЛС — радиозонд» до 200 км и более.

4. Приведены результаты разработки экспериментальных конструкций приемопередающих систем на основе сверхрегенеративных приемопередатчиков с повышенным потенциалом для устройств связи, показана структура комплекса специальной технологической аппаратуры для эффективной настройки СПП, предложена методика для измерения и настройки выходных параметров СПП для отечественных радиозондов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Итоги диссертационной работы и основные научные и практические результаты можно свести к следующему:

1. Разработана модель расчета ОРХ для определения регенеративных свойств сверхрегенератора в процессе возникновения и установления автоколебаний. На основе ОРХ формируются требования к параметрам запуска транзисторного СПП для достижения высокой реальной чувствительности в приемном режиме, реализации быстрого установления автоколебаний и достижения максимальной мощности в стационарном режиме.

2. Разработана процедура оценки влияния флуктуаций фактора регенерации СПП на полосу пропускания колебательной системы при токах транзистора, близких и равных граничным значениям, получены выводы об определяющем характере этого процесса в формировании полосы пропускания. Проведена количественная оценка предельной чувствительности при учете тепловых и дробовых шумов, присутствующих в контуре СПП.

3. Выполнены исследования модели СПП с переменным затуханием контура при воздействии флуктуационнных колебаний. Показано определяющее влияние параметров переднего фронта импульсов запуска, поступающих в СПП с частотой суперизации, и соотношения значений пускового и граничного токов на величину полосы пропускания в режиме быстрого установления колебаний.

4. Разработана модель СПП с переменным затуханием контура при воздействии УК. Компьютерное моделирование процесса развития колебаний в системе позволило уточнить механизм формирования УК, получить количественные оценки амплитуды УК в контуре сверхрегенератора. Сформулированы требования к форме и скорости нарастания переднего фронта запускающих импульсов, амплитуде пускового тока с целью уменьшения влияния УК на реальную чувствительность СПП. Предложена методика экспериментальной оценки уровня УК при заданном соотношении сигнал/помеха на выходе СПП.

5. Созданы экспериментальные образцы СПП на биполярных и полевых транзисторах с микрополосковыми и диэлектрическими резонаторами, работающие в СВЧ диапазоне. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, использованы для разработки усовершенствованных СПП с повышенным потенциалом для аэрологических радиозондов и систем связи. Практические рекомендации по повышению уровня технологического производства аэрологических радиозондов используются в серийном производстве на следующих предприятиях: ОАО «УПП «Вектор», г. ЕкатеринбургОАО «Метео», г. ЕкатеринбургОАО «Радий», г. Касли, ФГУП «Комет», г. Долгопрудный. Получены патенты РФ на отдельные конструкции и технические решения СВЧ-автогенераторов и СПП с повышенными выходными характеристиками.