ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах радиозондирования атмосферы для измерения дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом, измерения угловых координат и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемопередающих устройств.
Общей проблемой приемопередающих систем АРЗ является создание недорогих устройств высокостабильных по радиотехническим параметрам, т.е. независимых от окружающей температуры, изменения напряжения питания и изменения согласования с антенной (характера проводимости нагрузки). Особенно это касается изделий СВЧ-диапазона.
Известен сверхрегенеративный приемо-передатчик с отдельным генератором вспомогательных колебаний, служащий для приема запросных импульсов и передачи ответных (см. В.И.Ермаков и др. "Системы зондирования атмосферы",; Гидрометеоиздат, 1977, с.247-249).
Недостатками его являются: большие массогабаритные характеристики, влияние СВЧ поля передатчика на работу остальных узлов радиозонда, наличие скоростной ошибки по дальности.
Известен сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий соединенные последовательно генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор и антенну, источник питания, первый выход которого соединен со вторыми выходами автогенератора и генератора суперирующих импульсов,
причем автогенератор включает в себя транзистор и резонатор, входы и выходы которого являются одноименными входами и выходами автогенератора, а база, коллектор и эмиттер транзистора соединены соответственно с первым, вторым входами и вторым выходом резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности параметров, в него введен блок стабилизации среднего тока, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и первым выходами источника питания, а первый и второй выходы - с вторым и первым входами автогенератора, см. патент РФ №1106262. Недостатком его является значительное и нерегулируемое смещение частоты приема относительно частоты излучения, что существенно снижает эксплуатационные параметры радиотехнической системы в целом и не позволяет полностью использовать потенциальные возможности сверхрегенеративного приемопередатчика, также низкий КПД.
Известен сверхрегенеративный приемо-передатчик, содержащий генератор суперирующих импульсов, автогенератор, антенну, источник питания, конденсатор и блок стабилизации среднего тока, выход генератора суперирующих импульсов через конденсатор подключен к первому входу автогенератора, к выходу автогенератора подключена антенна, первый выход источника питания соединен со входом генератора суперирующих импульсов, второй выход - с входом блока стабилизации среднего тока, выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами автогенератора, причем автогенератор выполнен по двухрезонаторной схеме и содержит транзистор, первый и второй резонаторы, первый и второй дроссели и индуктивность, причем первый резонатор включен между индуктивностью и коллектором транзистора, второй - между индуктивностью и эмиттером, коллектор транзистора через первый дроссель соединен со вторым входом автогенератора, эмиттер через второй дроссель и третий вход соединен с общими выводами генератора суперирующего напряжения, блока стабилизации среднего тока и источника питания, индуктивность включена между общей точкой резонаторов и базой транзистора, а общая точка резонаторов и индуктивности соединена через конденсатор
с выходом генератора суперирующих импульсов, антенна приемопередатчика соединена с одним из выводов первого резонатора и является входом/выходом устройства, см. Патент РФ №2172965. Недостатком данного изобретения является невозможность регулировать в необходимых пределах коэффициент обратной связи в автогенераторе, что не позволяет обеспечить максимальную чувствительность и снижает эффективность работы приемопередатчика.
Также известен сверхрегенеративный приемо-передатчик, см. заявку №2004107699/09, по которой выдано положительное решение: ПРОТОТИП. При всех своих положительных достоинствах в прототипе амплитудно-частотная характеристика не оптимизирована, что создает определенные неудобства в эксплуатации.
Технической задачей является повышение эксплуатационных характеристик радиозондов и системы радиозондирования в целом за счет:
- создания схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего повысить стабильность рабочей частоты, мощности излучения и чувствительности СПП;
- повышения помехозащищенности системы радиозондирования;
- снижения уровня внеполосных излучений передатчика радиозонда в свободном пространстве;
- снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет увеличения КПД;
- низкой стоимости аппаратных средств;
- построения конструкции АРЗ, объединяющей в единое целое всю антенно-фидерную и приемо-передающую часть, что значительно упрощает процесс настройки, а также возможность получения оптимального согласования электронных узлов между собой, что снижает ГМХ и повышает эффективность работы АРЗ, которая является выходом систем.
Для решения поставленной задачи предлагается Приемо-передатчик аэрологического радиозонда, содержащий блок телеметрии, генератор суперирующих импульсов, источник питания, блок стабилизации напряжения питания, блок стабилизации тока коллектора СВЧ-автогенератора, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор, приемопередающую антенну отличающийся тем, что в него введен СВЧ-полосовой фильтр со следующими соединениями: выход блока телеметрии соединен с входом генератора суперирующих импульсов, выход которого через инерционную цепь автосмещения связан с управляющим входом СВЧ-автогенератора, источник питания связан с блоком стабилизации напряжения питания, первый выход которого связан со входами питания блоков телеметрии и генератора суперирующего напряжения, второй выход - с входом блока стабилизации тока коллектора, выход которого соединен с управляющим входом СВЧ-автогенератора а второй вход соединен со вторым выходом СВЧ-автогенератора, третий выход СВЧ-автогенератора соединен с приемопередающей антенной радиозонда; выход СВЧ-автогенератора через СВЧ-полосовой фильтр соединен с антенной радиозонда; СВЧ-полосовой фильтр выполнен на связанных микрополосковых линиях и/или керамических СВЧ-фильтрах; МПЛ-отрезки длиной <, чем λ/4, играют роль емкости, а длиной >, чем λ/4, играют роль индуктивности, причем длина отрезков выбирается при настройке в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора и конкретной топологии автогенератора и ее выполнения, причем первоначально длина всех МПЛ-отрезков берется заведомо больше, чем λ/4, а в процессе настройки остается такой же или отрезается исходя из условий получения индуктивности или емкости. Реально снятая АЧХ на фиг.3 наглядно показывает насколько улучшились характеристики приемопередатчика АРЗ.
На фиг.1 изображена структурная электрическая схема приемопередатчика АРЗ, на фиг.2 и фиг.3 амплитудно-частотные характеристики
приемо-передатчика АРЗ без и с СВЧ-полосовым фильтром соответственно, на фиг.4 - электрическая схема автогенератора 3.
Структурная схема приемо-передатчика АРЗ имеет следующие соединения: блок телеметрии 9 через генератор суперирующих импульсов 1 и инерционную цепь автосмещения 2 соединен со входом СВЧ-автогенератора 3, выход которого через СВЧ-полосовой фильтр 7 соединен с приемо-передающей антенной 8, выход источника питания 4 через стабилизатор напряжения 5 и стабилизатор среднего тока 6 соединен с шиной питания СВЧ-автогенератора 3.
На фиг.4 показан автогенератор 3, который выполнен на СВЧ-транзисторе VT1 со следующими соединениями: плюс источника питания Епит через последовательно соединенные λ/4 дроссель W3 и RC фильтр на резисторе R2 и конденсаторе С3 соединен через λ/4 МПЛ-дроссель W4 с коллектором VT1, который также соединен с МПЛ-отрезками W6 и W7, вторые концы которых являются выходом автогенератора 3 и соединены с антенной радиозонда 8; вход управления автогенератора 3 соединен с блокировочным конденсатором С2 и через λ/4 дроссель W5 с базой VT1 и с МПЛ- отрезком W2, второй конец которого свободный, второй конец конденсатора С2 соединен с нулем источника питания; эмиттер VT1 соединен через К/4 дроссель W3 с блокировочной цепочкой, состоящей из параллельно соединенных резистора R1 и конденсатора С1, вторые концы которых соединены с нулем вольт источника питания Е пит, одновременно эмиттер соединен с МПЛ-отрезком, второй конец которого - свободный.
Настройка СВЧ-автогенератора осуществляется на стандартном лабораторном стенде с волновым сопротивлением 500 м. Необходимые измерительные приборы подключаются с помощью калиброванного направленного ответвителя (НО). Для упрощения процедуры окончательной настройки автогенератора 3 при работе на антенну его подключают к конкретному радиоблоку с которым осуществляется его предварительная настройка. Напряжение питания цепи коллектора
VT1, измеренное непосредственно между выводом коллектора транзистора и общим проводником (шиной) должно быть в пределах 15-16В.
Основными выходными параметрами, контролируемыми при настройке автогенератора являются:
1. частота излучения;
2. выходная мощность;
3. чувствительность к запросному сигналу;
4. совмещение частот приема и излучения.
Принципиально для нормального функционирования СРПП необходимо подобрать длины МПЛ W1, W2, W4 при которых достигается оптимальное соотношение активной нагрузки и величины обратной связи в автогенератора 3 необходимые для осуществления сверхрегенеративного режима работы СРПП на рабочей частоте. Дополнительная регулировка постоянной времени в цепи питания базы СВЧ-транзистора VT1 обеспечивает необходимую стабильность работы СРПП в режиме высокой чувствительности.
Рабочая частота автогенератора 3 определяется длиной МПЛ W1, W2, W4. Увеличение длины любой МПЛ приводит к монотонному уменьшению частоты излучения. Однако изменение длины любой МПЛ приводит одновременно к изменению величины обратной связи в автогенераторе 3 и активной нагрузки. Поэтому процесс настройки имеет итерационный характер. Предварительно необходимо установить длину резонаторов путем прорезания регулировочных площадок согласно данным, полученным при испытаниях первых контрольных СРПП №1-5.
Величина нагрузки автогенератора 3 определяется местом подключения выхода СВЧ к МПЛ в цепи коллектора W6. Смещение места включения выхода СВЧ к разомкнутому концу МПЛ приводит к увеличению нагрузки автогенератора 3, и как правило, к увеличению выходной мощности, снижению чувствительности и наоборот. Наиболее существенно влияние на работу СРПП МПЛ W1, включенной в цепи базы, поскольку она в значительной степени определяет
величину обратной связи в автогенераторе 3. Увеличение ее длины / при условии /<λ/4 приводит к увеличению коэффициента обратной связи, повышению чувствительности. МПЛ W2 в цепи эмиттера влияет на величину обратной связи, смещение частоты приема относительно частоты излучения.
Частота приема СРПП определяется параметрами СВЧ-транзистора VT1 и эквивалентными длинами резонаторов W1, W2, W4 и слабо зависит от напряжения питания. Частота излучения кроме того зависит от амплитуды импульсного тока коллектора СВЧ-транзистора VT1. Чем больше амплитуда тока, тем ниже частота излучения по отношению к частоте приема. Поэтому при увеличении сопротивления резистора R1 цепи эмиттера снижается амплитуда тока коллектора и возрастает частота излучения по отношению к частоте приема.
Известно, что увеличение емкости конденсатора С2 в цепи базы приводит к повышению устойчивости работы СРПП в сверхрегенеративном режиме, но снижает уровень вторичной ответной реакции. Однако уменьшение величины сопротивления резистора R1 в цепи эмиттера способствует повышению чувствительности СРПП. Эти зависимости можно использовать для регулировки совмещения частот приема и передачи. Следует подчеркнуть, что в режиме совпадения частот приема и передачи СРПП работает наиболее устойчиво в условиях эксплуатации, поскольку нет избыточности в чувствительности прибора, которая получается при значительном (более 5МГц) смещении частоты приема относительно частоты излучения.
При регулировке СРПП следует помнить, что антенна радиозонда гальванически соединена с выводом базы СВЧ-транзистора VT1. Поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности от действия статического электричества.
Реально снятая АЧХ на фиг.3 наглядно показывает насколько улучшились характеристики приемо-передатчика АРЗ.