Балансный смеситель для допплеровского метеорадиолокатора

Рисунок 5 - Графики зависимостей числа обусловленности COnd 1 и оптимальных значений к на каждом шаге преобразования матрицы Ъот числа N подключаемых опорных двухполюсников

Истинные значения данных адмитансов определяются сопротивлением и емкостью изоляции между проводниками цепи, поэтому они отличаются от узловых адмитансов, определяемых адмитансами элементов цепи, на несколько порядков. Для получения более точных результатов при таких соотношениях собственных и взаимных узловых адмитансов

необходимо получить результаты косвенных измерений параметров цепи в другой системе координат, выбор которой может быть осуществлен по данным, предварительно полученным с помощью измерений в координатной системе контуров или узловых пар.

Рисунок 6 - Матрица узловых адмитансов ХС-цепи, полученная с помощью регуляризации решения задачи

совокупных измерений

После получения достаточно хорошего приближения к матрице V становится возможной оценка соотношений между диагональными и недиагональными элементами V с целью анализа возможности дальнейшего улучшения обусловленности данной

матрицы и повышения точности совокупных измерений узловых адмитансов. Один из вариантов такого анализа заключается в использовании оценки числа обусловленности матрицы У' по норме с помощью кругов Гершгорина

спектральной 1].

ЛИТЕРАТУРА

1. Куроедов, С.К. Алгоритмы диагностики электрических цепей методами узловых адмитансов и импе-дансов./ С.К. Куроедов, А.В. Светлов // Надежность и качество - 2014: Труды Международного симпозиума: в 2-х т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014. - Том 2. - С. 52 - 57.

2. Демирчан К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. Том 2. СПб.: Питер, 2003. - 576 с.

3. Куроедов, С.К. Использование технологии виртуальных приборов для решения задач диагностики электрических цепей методом узловых импедансов./ С.К. Куроедов, А.В. Светлов // Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments - 2014: Сборник трудов XIII Международной науч.-практ. конф. NIDays-2014: Москва, 19-20 ноября 2014 г. - М.: ДМК Пресс, 2014. - С. 12-14.

4. Куроедов, С.К. Использование технологии виртуальных приборов для определения частотных характеристик элементов и систем управления. / С.Ю. Байдаров, С.К. Куроедов, М.М. Бутаев, А.В. Светлов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. - № 1 (21). -С. 105-115.

5. Куроедов, С.К. Алгоритмы виртуального анализа характеристик оптоэлектронных устройств / С.К. Куроедов, А.В. Светлов // Инженерные и научные приложения на базе технологий National Instruments - 2012: Сборник трудов XI Международной науч.-практ. конф. - М.: ДМК Пресс, 2012. - С. 423-425.

6. Куроедов, С.К. Реляционная модель и алгоритмы аппаратурного анализа характеристик электрических цепей. / С.К. Куроедов, А.В. Светлов // Надежность и качество: Труды Международного симпозиума. В 2 т. Т. 1. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2013. - С. 36-38.

7. Воеводин В.В., Кузнецов Ю. А. Матрицы и вычисления. - Наука, 1984. - 320 с.

8. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. - Наука, 1986. - 288 с.

УДК 53.084.873

Белов А.В., Чайковский В.М,

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ ДЛЯ ДОППЛЕРОВСКОГО МЕТЕОРАДИОЛОКАТОРА

Описан подход реализации выделения допплеровского приращения частоты, посредством разностного вычисления из радиолокационного сигнала (поступающего на вход принимающей антенны) колебания несущей частоты с помощью двух диодного кольцевого балансного смесителя.

Ключевые слова:

метеорологическое образование, эффект Допплера, разностная частота, допплеровское приращение частоты, балансный смеситель.

В рассмотренной ранее структуре построения допплеровского метеорадио-локатора (МРЛ) [1], в которой получение информации о скорости перемещения и дальности до опасного метеообразования (МО) получалось за счёт организации процесса выделения допплеровского приращения частоты (£д), который осуществлялся балансным смесителем (БС). В данной работе предлагается один из путей построения последнего с доведением его до одного из возможных вариантов практической реализации.

Предлагаемая схема БС включает в себя два смесительных диода и кольцевой СВЧ мост, выбор которого обусловлен диапазоном используемых рабочих частот МРЛ [1].

Принимаемый отраженный сигнал Рс, содержащий допплеровское приращение частоты, является одним из входных сигналов БС, а вторым - часть выходного сигнала передатчика Рг, поступающая на вход БС с выхода передатчика из-за их электромагнитной связи и за счет наличия различных паразитных связей, обусловленных монтажной ёмкостью, которая всегда имеет место в самой конструкции любой МРЛ. При этом сигнал допплеровского приращения частоты, выделяется БС в результате вычитания из принимаемого сигнала Рс, сигнала Рг , излучаемого в момент приема сигнала Рс, причем сигнал Рг имеет фиксированное значение частоты. В дальнейшем Рг будем именовать сигналом несущей частоты.

Основным достоинством данного смесителя является способность исключать наличие шумов на его выходе, за счет компенсации их путём вычитания сигнала от передающего устройства (считающегося опорным) Рг из входного (отраженного) Рс. Предлагаемая схема БС, включающая в себя два смесительных диода и кольцевой СВЧ мост, приведена на Рис.1.

Рисунок 1 - Топологическая схема балансного смесителя

Здесь в качестве требующегося в БС обязательного наличия нелинейного активного сопротивления [2], используются диоды Д1 и Д2, помещенные непосредственно в смесительную секцию (конструкция которой будет рассмотрена ниже), к входам которой соответственно подключаются сигналы Рс и Рг. Работа БС основана на равном распределении мощностей Рс и Рг между двумя диодами с противоположными фазовыми сдвигами, обеспечивающимися СВЧ мостом [2]. В составе БС используется пара диодов во встречном включении, причем диоды

заранее подбираются с абсолютно идентичными значениями своих параметров, встречное включение диодов позволяет компенсировать шумы, поступающие в БС [2].

В предлагаемом БС используется синфазный кольцевой мост поскольку он, в сравнении с существующим другим мостом, а именно квадратурным, имеет лучшую развязку между входными и выходным плечами моста.

Учитывая технические требования, предъявляемые к предложенной в [1] МРЛ и упомянутых там её аналогов, таких как МЕТЕОР-5 0 0С и МРЛ-5, задаёмся исходными данными, требующимися для расчета балансного смесителя:

Диапазон рабочих частот входных (отраженных от метеообразования) сигналов определяется частотой зондирующего сигнала и допплеровским приращением частоты : :£с = ± :£д , где = 5,5 ГГц, ^ = 0...1833 Гц.

Откуда следует, что £сшах = 5,5 ГГц + 1833 Гц = 5 501 833 Гц.

Для обеспечения однозначности определения параметров регистрируемых данных МРЛ коэффициент шума в его БС не должен превышать 8 дБ -

Кбс ^ 8дБ, а развязка между его входным сигналом и опорным - не менее 30 дБ.

Волновое сопротивление подводящих линий Zo = 5 0 Ом.

Выбираем в качестве материала подложки - по-ликор [3] , имеющий следующие параметры ег= 9,8 tg5=10-4 и толщину Ь = 1мм.

В качестве нелинейного сопротивления в БС, используются смесительные диоды, представляющие собой полупроводниковую структуру в виде контакта металл-полупроводник. Существует две разновидности подобных диодов, отличающихся методом создания контакта: точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шоттки (ДБШ) [2].

В первом случае требуемый точечный контакт создается простым прижимом заостренной металлической иглы к поверхности полупроводника. Во втором (ДШБ) - диод имеет контакт столь же малого диаметра, что и ТДК, только полностью плоский, получаемый в результате напыления пленки металла на поверхность полупроводника. При этом, за счет более совершенной технологии исполнения получается, что у ДШБ контакт металл-полупроводник больше соответствует идеальному, и поэтому он обладает более высокими параметрами, однако, при работе без источника внешнего смещения, ДШБ по причине наличия у него высокого значения контактной разности потенциалов, требуется подача большей мощность опорного сигнала, чем в случае использования диода структуры ТДК [3].

Используемая в БС пара встречно включенных диодов, должна отбираться на предварительном этапе, причем таким образом, чтобы они обладали параметрами с нормированным, допустимым отклонением их значений между собой. В предлагаемом варианте используются смесительные диоды 2А108А структуры ТДК, имеющие следующие значения параметров:

Длинна волны Потери Шумовое число, пш Явых Ыш Рг опт Ррасс

А,м Ьд, дБ Ом дБ мВт мВт

10 5 2 500 6,5 1 50

Предлагаемый БС будет работать в составе раннее рассмотренного МРЛ [1], работающего с сигналами С - диапазона, поэтому использование данного типа диода, предназначенного для работы с сигналами указанного диапазона, будет наиболее предпочтительно.

Расчет БС начинается с кольцевого моста по методике [2].

Для обеспечения согласования плеч моста волновое сопротивление подводящих линий Z0 и его собственное волновое сопротивление должны отвечать следующему условию: = тогда %& = 72-50 « 70 Ом.

Согласно [2], ширина проводника кольца находится как:

5к = К- Н1^- 1] = 41,85 мм.

При расчете БС считаем, что характер нагрузок его входных плеч (вх. сигнала Рс и опорного Рг) одинаков, а входной импеданс усилителя разностной (допплеровской) частоты (УРЧ) с выходным сигналом БС настроены в резонанс в ранее указанной в [1] полосе значений допплеровских частот, тогда сопротивление нагрузки БС в данном диапазоне разностных частот будет носить чисто активный характер [3], а весь диапазон данных частот предлагается разбить на несколько поддиапазонов,

Шумовое отношение пбс , балансного смесителя можно считать равным шумовому числу диода Пшд,

характеризующих скорость перемещения обнаруженного МО (депрессия, шторм, жесткий шторм, ураган).

Согласно [2], для определения эффективной длины волны в линии, необходимо найти эффективную диэлектрическую проницаемость:

^эф

= 0,5

1 + £г+-

£г — 1

1 + 10-

= 6,282

Эффективная : = 2,2 см

линии:

^эф =

/стах'-У£эф

Тогда диаметр средней окружности кольца: dcp = 3*Лэф / 2п = 1см

Расстояние между плечами моста ( показанные на рис 2,б ) :

112 = 123 = 134 = Аэф / 4 = 5,441 мм , 114 = 3*Лэф / 4 = 16 мм

Руководствуясь тем, что диоды в БС были подобраны в паре, в дальнейших расчетах будем пользоваться ниже приведенными соотношениями [2].

Выходное сопротивление БС определяем как: Нбс * 0,5- = 250 Ом.

Относительная полоса частот (Потн = :£стах/£о), ранее рассмотренного метео-радиолокатора [1], работающего на фиксированном значении частоты сигнала 5,5 ГГц, с учетом диапазона допплеров-ского изменения частоты составляет 1,002 , основываясь методикой [3], можно сделать вывод, что мощность потерь СВЧ моста Ьм будет незначительна и ею можно пренебречь.

Потери на преобразование БС, складывающиеся из потерь преобразования в смесительном диоде Ьд ( значение которого приводится в паспортных данных на диод) и потерь моста Ьм и будут равны Lбс = Lд + Lм = Lд = 5 дБ,

т.е. п6с ^ пшд.

Коэффициент шума БС, Ыбс = Lsбс • Пшд = 3.16*2 = 6,32, где Lsбс - потери БС (в относительных единацах), Пшд - шумовое число диода.

Необходимая мощность гетеродина Рг, подаваемая на один из входов БС,

Рг = 2-Ьчи-Рг отп = 2*1*1 = 2 мВт, где Ьчи -потери моста (в относительных едини-цах), Рг отп - мощность гетеродина, приводится в справочных данных на диод.

Ег = 5,5 ГГц - частота сигнала гетеродина, равная значению частоты зондирующего сигнала излучаемого передающей антенной.

Разомкнутые четвертьволновые шлейфы 1ш1 и 1ш3 используются в качестве высокочастотных дросселей на выходе смесителя для блокировки токов СВЧ на входе УРЧ и рассчитываются как: 1ш1 = 1ш3 = Аэф / 4 = 5,411 мм

При реализации высокочастотных узлов радиоаппаратуры, в том числе и смесителей частоты, особое внимание следует уделять их конструктивному исполнению. Необходимо все линии связи выполнять в виде микрополоскового исполнения, а отдельные узлы приемников и передатчиков надежно экранировать от внешних электромагнитных излучений, используя прецизионный сплав с магнитно-мягкими свойствами - пермаллой.

Ниже представлен вариант практической реализации предлагаемого смесителя.

Подводящие коаксиальные входы - 1, соединены с микрополосковым шлейфом с помощью развязывающих ферритовых У циркуляров -2. Схема БС имеет две смесительные секции и кольцевой СВЧ мост. На плечи - 3 моста подаются входной сигнал и опорный, соответственно Рс и Рг, а к другим - 4 подключены смесительные секции со встречно включенными диодами - 5 [3].

л

S

к

длинна

в

Рисунок 2 - Конструктивное исполнение балансного смесителя

На дюралюминиевом корпусе имеется крепление -6 для фиксации П-образного крепления крышки, что дает возможность устранения внешних воздействий как электромагнитных, так и физических (пыли, влаги). Предлагаемая конструкция, имеющая типовые геометрические размеры и обладающая достаточно высокой механической прочностью, позволяет в дальнейшей эксплуатации обеспечить высокую достоверность получаемых данных.

Практические исследования предлагаемого БС показали, что не смотря на кажущуюся простоту его реализации, для окончательной настройки с доведением его до работоспособного состояния, помимо определенной квалификации и навыков исполнителя, требуются значительные временные затраты.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов А.В., Чайковский В. М. Метеорологический допплеровский радиолокатор. Тр. межд. симпоз. "Надежность и качество" Т. 2,Пенза, 2015 г.

2. Радиоприемные устройства. Методические указания. Нахалов В. А. Хабаровск. Изд. ДВГУПС 2013г.

3. Проектирование радиоприёмных устройств. Под ред. А. П. Сиверса. Учебное пособие для вузов. М., "Сов. радио". 1976 г.

4. Обеспечение помехоустойчивости информационных коммуникаций в интеллектуальной радиолокационной системе / А. Н. Якимов, В. Б. Лебедев // Научный журнал Изв. высш.уч.завед. Поволжский регион.-2012.-№1.