КОНСТРУКЦИЯ СВЧ-ПЛАТЫ И АНТЕННОЙ СИСТЕМЫ АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА

Полезная модель относится радиотехнике и может быть использована в конструкции аэрологического радиозонда (АРЗ) для передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих систем.
Общей проблемой приемо-передающих систем АРЗ является создание недорогих устройств высокостабильных по радиопараметрам, т.е. независимых от окружающей температуры, изменения напряжения питания и изменения согласования с антенной (характера проводимости нагрузки).
Схемное решение в принципе может быть даже очень хорошим, но когда дело доходит до его практической реализации, то воплотить его в конкретное изделие с высоким техническими характеристиками (как было задумано) почти никогда не удается. Особенно это касается изделий СВЧ-диапазона. Поэтому в реалии техническое решение нужно объединять совместно с конструктивом: например, СВЧ-приемо/передатчик на микрополосковых линиях (МПЛ), антенна АРЗ в предложенном конструктиве и конструктив их связи между собой.
Известны радиозонды фирмы VAISALA, в которых используются передающая система в непрерывном режиме для передачи измеренных метеовеличин в частотные телеметрические сигналы, см. ж. VAISALA News, №136, 1995, стр.9-12, Финляндия, Хельсинки.
Недостатком данного радиозонда является схемная сложность каналов измерения метеовеличин, т.к. требуется высокая чувствительность измерения, например, измерении емкости при изменении температуры на 100°К емкость датчика изменяется всего на 6-7 пф, низкая согласованность с передающей
антенной, которая выполнена в виде простого нерегулируемого штыря.
Известна система для радиозондирования атмосферы, см. заявку №93057438, определения составляющих скорости ветра и формирования высотных и пространственных профилей распределения параметров атмосферы, содержащая радиозонд, имеющий опорный генератор частоты, приемную антенну сигналов спутниковой навигационной системы, устройства для преобразования сигналов спутников и передачи этих сигналов, и наземный пункт обработки метеоинформации, содержащий приемную антенну для приема сигналов от радиозонда, навигационную аппаратуру потребителей спутниковой системы и вычислительный комплекс, отличающийся тем, что в аппаратуре радиозонда ретрансляция сигналов спутников производится путем переноса спектра навигационных спутниковых сигналов на несущую частоту передатчика радиозонда вместе с формируемым в аппаратуре радиозонда опорным пилотсигналом, модулированным метеоданными, наземный приемный пункт дополнительно имеет устройство преобразования ретранслированных и опорного сигнала в диапазон навигационных сигналов спутников, включенное между приемной антенной и навигационной аппаратурой, которая по измеренным данным времен распространения сигналов от спутников до радиозонда и с учетом измерения доплеровских частот сигналов производит вычисление пространственных координат и составляющих вектора скорости радиозонда, которые поступают в вычислительный комплекс, где они обрабатываются совместно с выделенными из пилотсигнала данными метеоинформации для определения составляющих скорости ветра и формирования высотных и пространственных профилей распределения параметров атмосферы.
Недостатками системы при всей ее привлекательности являются:
- привязка к спутниковой навигационной системе (зависимость);
- схемная и конструктивная сложность, отсюда высокие ГМХ и высокая стоимость;
- наличие отдельного наземного пункта приема и вычисления;
- высокое энергопотребление;
- трудности обеспечения устойчивого изменения координат АРЗ из-за малого уровня сигналов (-150÷-160 дб/рт).
Известен "Радиозонд с использованием микропроцессора", см. ПАТЕНТ США №4481514, который оснащен набором устройств для регистрации измеряемых данных. Они связаны с блоком, вырабатывающим последовательность электросигналов, воспроизводящих измеренные метеохарактеристики. Аналоговые сигналы преобразуются в импульсы двоичного кода. Между регистрирующими устройствами и преобразователем включен переключатель, последовательно соединяющий с преобразователем каждое из регистрирующих устройств. В радиозонде имеется блок формирования опорных сигналов, избирательно подключаемых к входу переключателя и входу преобразователя, так что переключатель в итоге соединяет одно из регистрирующих устройств с блоком формирования опорных сигналов, благодаря чему вырабатывается аналоговый сигнал, характеризующий метеопараметр, измеренный устройством, которое в данный момент подключено через переключатель ко входу преобразователя. Радиозонд содержит также микропроцессор (МП), функционально связанный с преобразователем аналоговых сигналов в дискретные. МП осуществляет обработку сигналов двоичного кода. Сигналы с МП поступают на передатчик, который транслирует на наземную станцию модулируемый обработанный МП двоичными сигналами - ПРОТОТИП.
Недостатками прототипа являются прямолинейное классическое построение электрической схемы, а МП используется как специализированная схема управления, переключения и преобразования и не более. Поэтому аппаратные достоинства МП для минимизации всей электронной схемы, а следовательно и для ГМХ, не используются. Передатчик построен также по традиционной схеме, работает только в режиме передачи (не используется принцип "запрос" с РЛС сопровождения - "ответ" с АРЗ), что влечет за собой
временные и прочие затраты,снижается точность измерения координат АРЗ.
Технической задачей полезной модели является повышение эксплуатационных качеств радиозондов за счет:
- создание схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего резко повысить стабильность рабочей частоты, мощности излучения, чувствительности;
- технологической прозрачности решения этой задачи;
- снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения передаваемой мощности в антенне и увеличения КПД;
- низкой стоимости аппаратных средств;
- построения конструктива, объединяющего в единое целое всю антенно-фидерную и приемо-передающую часть, что значительно упрощает процесс настройки, а также возможность, получения полного согласования электронных узлов между собой, что снижает ГМХ и повышает точность работы АРЗ.
С этой целью предлагается конструкция СВЧ-платы и антенной системы АРЗ, содержащая основание, СВЧ-плату и антенную систему, отличающиеся тем, что СВЧ-плата закреплена на основании при помощи винта, гайки и шайбы, при чем винт и контакт при соединении с помощью пайки образуют конструкцию переходного винта, который крепится при помощи гайки через изолирующую втулку в отверстие СВЧ-платы и основания; на переходной винт паяется антенная система АРЗ; антенна выполнена в виде несимметричного четверть волнового вибратора, имеющего регулировочную шайбу, электрически связанную с вибратором, скользящим контактом помещенную на трубке на расстоянии h от цилиндрического экрана, причем регулировочная шайба имеет возможность перемещения по трубке, например, с помощью резьбового соединения, регулируя расстояние h между антенной и цилиндрическим экраном для регулировки коэффициента связи вибратора с
коллектором транзистора СВЧ-автогенератора, а регулировка длины вибратора при этом позволяет задавать либо индуктивный, либо емкостный характер сопротивления антенны.
На фиг.1 показана конструкция соединения СВЧ-платы с антенной системой АРЗ. СВЧ-плата (поз.3) закреплена на основании (поз.5) при помощи винта, гайки и шайбы (поз.6). Две детали "винт" (поз.7) и "контакт" (поз.8) при соединении с помощью пайки образуют конструкцию "переходного винта" (поз.1). "Переходной винт" (поз.1) закреплен при помощи гайки через изолирующую втулку (поз.4) в отверстия СВЧ-платы (поз.3) и основании (поз.6). На "переходной винт" (поз.1) паяется антенная система радиозонда (поз.2). Таким образом обеспечивается электрическое соединение СВЧ-платы (поз.3) с антенной системой (поз.2). Поз.9 - регулировочная шайба, поз.10 - несимметричный λ/4 вибратор, поз. 11 - ножки СВЧ-транзистора. На фиг.2 показаны диаграммы направленности, на фиг.3 и 4 зависимости активной и реактивной составляющих входного сопротивления.
Особенностью конструктива модуля антенной системы является отсутствие органов точной настройки частоты и режима. Рабочая частота модуля может иметь смещение относительно номинального значения частоты 1782 МГц ±20 МГц. Режим работы модуля ориентировочно подбирается при работе на согласованную нагрузку 50 Ом путем регулировки. Окончательно индивидуальная настройка частоты и чувствительности модуля осуществляется путем регулировки импенданса нагрузки, которой является антенная система. Для определения необходимого диапазона регулировки импеданса антенны для опытной партии модулей с помощью измерительной линии, имитирующей реальную нагрузку, была осуществлена настройка частоты и режима работы опытной партии СПП. Было установлено, что для настройки приборов, учитывающей разброс параметров модулей, требуется независимо регулировать модуль к.с.в. в пределах от 1 до 2,5 и фазу к.с.в. в пределах от 0 до 2π. Поэтому конструкция антенной системы должна предусматривать регулировку входного импеданса в соответствии с указанными требованиями.
Другим требованием, предъявляемым к антенной системе, является формирование диаграммы направленности, позволяющей рационально использовать излучаемую радиозондом мощность в течение всего полета. Из большого качества рассмотренных конструкций антенн автором был предложен вариант, изображенный на фиг.4. Антенная система выполнена в виде несимметричного четвертьволнового вибратора, расположенного над цилиндрическим экраном диаметром 100-120 мм. Вибратор снабжен регулировочной шайбой, электрически связанной с вибратором скользящим контактом. В отличие от известных конструкций подобных антенн регулировочная шайба расположена вблизи экрана. Ее перемещение вдоль оси вибратора позволяет регулировать коэффициент связи вибратора с контуром СВЧ-модуля, а регулировка длины вибратора позволяет задавать либо индуктивный, либо емкостной характер входного сопротивления антенны. СВЧ-модуль соединен с экраном при помощи втулки со шлицевыми разрезами, обеспечивающими прижимной контакт между втулкой и коаксиальным выводом СВЧ-модуля. Центральный проводник вывода соединен с вибратором антенны с помощью трубочки.
Диаграмма направленности (ДН) такой антенной системы в вертикальной плоскости изображена на фиг.2. Положение главных лепестков ДН можно регулировать в некоторых пределах высотой цилиндрической поверхности экрана. В горизонтальной плоскости ДН имеет равномерное распределение и приближается по форме к окружности. Экспериментальные запуски радиозондов с разработанной антенной показали, что колебания уровня сигнала, связанные с вращением и раскачиванием радиозонда в полете, вполне приемлемы.
На фиг.1 антенная система в виде вибратора, расположенна под плоским экраном. ДН занимает фиксированное положение (б) фиг.2.
На фиг.3 и 4 изображены экспериментально снятые зависимости для активной (R) и реактивной (X) составляющих входного сопротивления антенны. Зависимости сняты для диаметра шайбы d=20 мм. Регулировка положения
шайбы по высоте производилась в пределах h=2-10 мм, а регулировка длины вибратора в пределах l=36÷52 мм. При этом активное сопротивление изменяется в пределах от 15 до 120 Ом, а реактивное от -54 Ом до +65 Ом. Модуль к.с.в. антенной системы с соответствующим запасом может регулироваться в пределах от 1 до 3÷4. Это позволяет осуществлять точную настройку частоты и режима СПП в составе радиозонда в условиях производства.