СПОСОБ СИНХРОННОГО ПРИЕМА И ОБРАБОТКИ ЗАПРОСНОГО СИГНАЛА В АВТОДИННОМ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКЕ СИСТЕМЫ РАДИОЗОНДИРОВАНИЯ АТМОСФЕРЫ
METHOD FOR SYNCHRONOUS RECEPTION AND PROCESSING OF A REQUEST SIGNAL IN AN AUTODYNE TRANSCEIVER OF AN ATMOSPHERIC RADIOSONDE SYSTEM

Изобретение относится к радиолокации с активным ответом и может быть использовано в аэрологических радиозондах (АРЗ) систем радиозондирования атмосферы для измерения наклонной дальности до радиозонда импульсным методом, пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте.
Известен способ радиолокационного зондирования с активным ответом, который кроме определения координат АРЗ используется также для передачи различной телеметрической информации. Примером применения этого способа служит система слежения за метеорологическим АРЗ, разработанная английской фирмой Кроули (см. стр. 78-82, [1]; стр. 38-41, [2]). В этой системе координаты АРЗ определяются наземным радиолокационным запросчиком по полученным сигналам ответчика, который размещается на борту АРЗ. Одновременно с определением координат производится регистрация телеметрической информации о состоянии атмосферы (давлении, влажности и температуре), передаваемой ответчиком.
Сложность, громоздкость и большое потребление энергии известной системы радиозондирования являются ее недостатками. Наличие отдельных антенн, передатчика и приемника на разные диапазоны частот (см. рис. 26, стр. 79, [1]; стр. 40, рис. 20, [2]) значительно усложняет и удорожает приемопередающее устройство бортовой аппаратуры АРЗ, которая является разовой. Кроме того, большие габариты и вес этой аппаратуры создают угрозу безопасности для авиации.
Предложенные в 50-е годы прошлого столетия сверхрегенеративные приемопередатчики (СПП) сначала использовались в авиационных системах опознавания «свой - чужой» (см. стр. 21, рис. 6, [1]). Эти приемопередатчики отличаются предельной простотой конструкции, малыми весом и габаритами за счет многофункциональности автогенератора в сверхрегенеративном режиме. Позже, благодаря отмеченным качествам, СПП стали применять на борту АРЗ в качестве ответчиков в отечественных системах радиозондирования атмосферы (см. стр. 41-45, [2], авт.свидетельство СССР: SU115078, опубл. 01.01.1958, [3]).
Высокая чувствительность СПП к радиоимпульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении приемопередатчика при пониженной мощности радиоимпульса радиопередающего устройства запросной радиолокационной системы (РЛС). Достаточно мощное излучение СПП обеспечивает надежное сопровождение АРЗ по угловым координатам и дальности, а также одновременную передачу посредством модуляции частоты суперирующих импульсов телеметрической информации о состоянии атмосферы до расстояний 100…150 км [3]. Дальнейшее развитие теории и техники СПП позволило улучшить его параметры и увеличить дальность сопровождения АРЗ практически вдвое [4, 5].
Способ приема и обработки запросного сигнала, используемый в работе известных СПП с внешней суперизацией, состоит в том, что электромагнитное СВЧ излучение наземной РЛС системы радиозондирования атмосферы принимают антенной, преобразуют его в СВЧ колебания радиоимпульсов запроса, воздействуют им на СВЧ-генератор в момент начала регенеративного процесса нарастания амплитуды автоколебаний, усиливают и детектируют реакцию СВЧ-генератора с цепью инерционного автосмещения активного элемента, а затем формируют в излучении СВЧ-генератора ответную паузу при условии воздействия запросного радиоимпульса достаточной амплитуды. При этом параметры суперирующих импульсов модулируют по частоте сигналом радиотелеметрии для передачи метеоданных с борта АРЗ на наземную РЛС системы радиозондирования атмосферы (см. патент РФ RU 2345379 C1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3)
Однако у известного способа и устройств его реализующих имеются существенные недостатки.
1. Недостаточная чувствительность СПП в режиме приема, которая ограничивается ударными колебаниями, присущими сверхрегенеративному режиму работы СВЧ-генератора при формировании переднего фронта радиоимпульса (см. стр. 140-146, монографии [6]; фиг. 4, патента РФ RU 2345379 C1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3; фиг. 4, патента РФ RU 2470323 C1, опубл. 20.12.2012, бюл. №35; статью [7]).
2. Асинхронность процессов формирования приемного окна СПП и посылок запросных радиоимпульсов наземной РЛС вызывает дополнительные флуктуации временного положения, глубины и продолжительности ответной паузы (см. фиг. 5 патента РФ RU 2368916 C2, опубл. 27.09.2009, бюл. №27; стр. 566, рис. 4.4.18 монографии [5]). Это является причиной принципиально неустранимой составляющей дополнительной ошибки измерения наклонной дальности.
3. Недостаточная помехозащищенность СПП от воздействия активных помех. При появлении помех на частоте приема СПП формирует ложные ответные паузы, которые при продолжительном воздействии помех нарушают работу каналов измерения дальности и приема телеметрической информации системы радиозондирования.
4. Широкий спектр излучения СПП и его шумовой характер создает проблемы электромагнитной совместимости, например, работе систем ГЛОНАСС/GPS (см. стр. 532-537, рис. 4.3.34, [5]). Ширина спектра по уровню половинной мощности обычно составляет 6…8 МГц в зависимости от длительности формируемых радиоимпульсов (см. рис. 36, стр. 103, [8]; см. фиг. 2 патента РФ RU 2368916 C2, опубл. 27.09.2009, бюл. 27).
Свободным от указанных недостатков является способ приема и обработки запросного сигнала, используемый в работе автодинного приемопередатчика (АЛЛ) согласно патенту РФ RU 2624993 C1 (опубл. 11.07.2017, бюл. №20) [9].
Способ приема и обработки запросного сигнала устройства-аналога в соответствие с описанием принципа его действия состоит в следующей последовательности действий. Радиоимпульс сигнала запроса в виде электромагнитного СВЧ излучения наземной РЛС системы радиозондирования атмосферы принимают антенной АПП, преобразуют его в СВЧ колебания радиоимпульса запроса, направляют колебания в резонансную систему СВЧ-генератора, смешивая их с собственными колебаниями СВЧ-генератора, посредством СВЧ-генератора полученную смесь преобразуют в автодинный отклик в виде изменений амплитуды колебаний и среднего значения тока и напряжения в цепи смещения активного элемента, посредством устройства регистрации выделяют автодинный отклик СВЧ-генератора в виде радиоимпульса промежуточной частоты сигнала биений, после этого радиоимпульс последовательно усиливают по амплитуде, фильтруют полосовым фильтром, далее путем амплитудного детектирования преобразуют радиоимпульс в видеоимпульс, сравнивают его амплитуду с пороговым уровнем, выполняют селекцию по временным параметрам запросного сигнала и формируют импульс ответной паузы, который прерывает излучение СВЧ-генератора, при этом в промежутках времени между приемом запросных сигналов частоту СВЧ-генератора модулируют сигналом радиотелеметрии для передачи метеоданных с борта АРЗ на наземную РЛС системы радиозондирования атмосферы, причем предварительно частоту СВЧ-генератора отстраивают от частоты запросного сигнала РЛС на величину более полуширины полосы синхронизации.
Однако у устройства-аналога имеются следующие существенные недостатки.
б
пс
б
гр
а
гр
1. Поведение АПП, реализующего описанный способ, сложным образом зависит от соотношения частоты биений и полосы синхронизации СВЧ-генератора. Для нормального функционирования АПП необходимо в СВЧ-генераторе обеспечить режим близкий к линейному, при котором форма биений приближается к синусоидальной. При этом частота биений ω должна быть вдали от полосы синхронизации СВЧ-генератора: , где Δω - значение полуширины полосы синхронизации (см. стр. 38, [10]). Однако значение частоты биений ω ограничено сверху граничной частотой Ω СВЧ-генератора, наличие которой обусловлено его внутренней инерционностью. Эта инерционность характеризуется постоянной времени τ автодинного отклика, по значению которой можно рассчитать граничную частоту Ω (см. формулу (34) статьи [11]):
где
гр
Ω - граничная частота, на которой уровень сигнала по амплитуде падает в  раза по сравнению с уровнем сигнала в области низких частот;
a
τ - характеристическая постоянная времени (время релаксации) автодинного отклика;
0
ω - центральная (рабочая) частота СВЧ-генератора АПП;
ρ - коэффициент неизодромности СВЧ-генератора АПП;
a
K - коэффициент автодинного усиления СВЧ-генератора;
вн
Q - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора.
a
гр
Коэффициент автодинного усиления K в (1) показывает во сколько раз автодинные изменения амплитуды колебаний СВЧ-генератора больше амплитуды пришедшего в его резонатор запросного сигнала РЛС.Предпочтительным является выбор такого режима работы СВЧ-генератора, при котором значение коэффициент автодинного усиления больше единицы. При таком условии снижается влияние собственных шумов СВЧ-генератора на его чувствительность как приемника. Но увеличение этого коэффициента, как видно из (1), влияет также на величину граничной частоты Ω. Возьмем для примера компромиссное значение  При остальных, входящих в (1) значениях параметров:  получим частоту  т.е. 8,5 МГц. Отсюда следует ограничение сверху на выбор частоты сигнала биений, т.е. частота биений должна быть не более величины  граничной частоты  В данном примере значение частоты  составляет 8,5 МГц.
С другой стороны, в АПП должно выполняться отмеченное выше сильное неравенство  где полуширина полосы  синхронизации СВЧ-генератора. Величина  в свою очередь, определяется относительным уровнем запросного сигнала (см. стр. 257-262, формулу (5.73), [12]):
где
- полуширина полосы синхронизации СВЧ-генератора АПП;
- коэффициент относительного уровня сигнала запроса;
зап
Р - мощность запросного сигнала РЛС, приходящего в резонатор СВЧ-генератора АПП;
вых
Р - выходная мощность СВЧ-генератора АПП;
0
ω - центральная (рабочая) частота СВЧ-генератора АПП;
вн
Q - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора АПП;
- угол между линией прибора (активного элемента) СВЧ-генератора и его линией годографа импеданса колебательной системы и нагрузки (см. рис. 5.16, стр. 260, [12]);
γ - коэффициент неизохронности генератора.
В результате расчета полуширины полосы синхронизации по формуле (2) при  что соответствует расстоянию в десятки метров от РЛС до АРЗ, на частоте  при  и  получаем  т.е. 34 МГц. Это означает, что в диапазоне малых расстояний, от места пуска АРЗ и до порядка нескольких сотен метров, расширение полосы синхронизации препятствует нормальной работе АПП.
Отсюда следует ограничение параметров известного устройства по дальности действия. Он не обеспечивает нормальную работоспособность системы радиозондирования атмосферы в диапазоне малых расстояний (от десятков до порядка сотен метров), где данные о состоянии приземных слоев атмосферы также востребованы для многих потребителей.
зап
0
б
2. Поскольку частота ω запросного сигнала может находиться как ниже, так и выше относительно средней (рабочей) частоты ω АПП на величину частоты ω сигнала биений  то занимаемая системой радиозондирования полоса частот  как минимум, равна удвоенному значению частоты сигнала биений  и может составлять исходя из полученных выше расчетов порядка 17 МГц. Тогда как ширина спектра запросного сигнала РЛС не более 1 МГц (см. рис. 136, [13]). Поэтому полоса разноса несущих частот излучения АПП и запросной РЛС является неоправданно широкой и создает проблемы электромагнитной совместимости иным радиосистем, например, работе систем ГЛОНАСС/GPS (см. стр. 532-537, рис. 4.3.34, [5]).
3. В диапазоне малых дальностей от РЛС до АРЗ, как отмечалось, сигнал запроса является сильным и в АПП может наблюдаться ряд нежелательных нелинейных явлений. Так, в режиме высокого уровня сигнала запроса полоса синхронизации значительно расширяется (2) и ее граничное значение может приближаться к частоте запросного сигнала. При этих условиях собственные колебания СВЧ-генератора подвергаются значительной амплитудной и частотной модуляции (см. стр. 37-42, [10]). Спектр этих колебаний «рассыпается» на гармоники (см. фиг. 27, [14]) частоты биений, создающие дополнительные помехи радиосредствам. В таком случае выходной низкочастотный сигнал биений на выходе СВЧ-генератора АПП формируется с ангармоническими искажениями (см. стр. 37-42, рис. 1.14, [10]; статью [15]), создающими проблемы при его обработке. Кроме того, в режиме высокого уровня сигнала запросной РЛС может происходить выход сигнала биений из полосы пропускания полосового фильтра, а также захват частоты АПП. В обоих случаях сигнал биений на выходе АПП отсутствует и система радиозондирования не может функционировать нормально. Отсюда следует еще один недостаток - ограничение динамического диапазона АПП сверху по уровню входного сигнала запроса.
Таким образом, техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в одновременном решении ряда разнородных задач, а именно: расширение рабочего диапазона дальности в область малых расстояний (от десятков до порядка сотен метров) системы радиозондирования атмосферы; сужения рабочей полосы частот, занимаемой системой радиозондирования; расширения динамического диапазона по уровню сигнала запроса.
Решение указанной проблемы состоит в использовании свойств радиосигналов, передаваемых от РЛС системы радиозондирования атмосферы к АРЗ, и режимов работы автодинных приемопередатчиков. Суть этого решения состоит в использовании в качестве несущей запросного радиоимпульса колебания с периодической внутриимпульсной частотной модуляцией и в переводе СВЧ-генератора из режима асинхронного автодинного преобразователя частоты в режим синхронного детектора (преобразователя) частотной модуляции.
Для решения указанной проблемы предложен способ синхронного приема и обработки запросного сигнала в автодинном приемопередатчике системы радиозондирования атмосферы, заключающийся в том, что посредством антенны принимают электромагнитное излучения в виде СВЧ радиоимпульса с внутриимпульсной периодической частотной модуляцией, воздействуют им на СВЧ-генератор, вызывая захват и синхронизацию частоты колебаний СВЧ-генератора, а также автодинные изменения с частотой внутриимпульсной частотной модуляции запросного сигнала амплитуды колебаний, средних значений тока и напряжения в цепи смещения активного элемента, выделяют автодинные изменения СВЧ-генератора в виде радиоимпульса на частоте внутриимпульсной частотной модуляции запросного сигнала, после этого данный радиоимпульс на частоте внутриимпульсной частотной модуляции запросного сигнала последовательно усиливают по амплитуде, фильтруют и преобразуют в видеоимпульс, далее сравнивают амплитуду видеоимпульса с пороговым уровнем и при превышении амплитудой видеоимпульса порогового уровня формируют импульс, продолжительность которого сравнивают с заданной продолжительностью запросного сигнала, затем при их равенстве формируют импульс ответной паузы, которым прерывают излучение СВЧ-генератора, при этом частоту СВЧ-генератора в промежутках времени между моментами приема запросных сигналов и формирования ответной паузы модулируют сигналом радиотелеметрии, причем среднюю частоту модулированных колебаний СВЧ-генератора предварительно совмещают со средней частотой излучения СВЧ радиоимпульсов с внутриимпульсной периодической частотной модуляцией запросного сигнала, а девиацию частоты запросного сигнала ограничивают условием ее нахождения внутри полосы синхронизации СВЧ-генератора.
Сравнение заявляемого способа синхронного приема и обработки запросного сигнала со способом, который лежит в основе принципа действия приемопередатчика аналога показывает наличие изменения режима приема сигналов запроса и работы СВЧ-генератора, которые обеспечивают достижение положительного эффекта. В результате поиска альтернативных решений в данной и смежных областях применения АПП и радиолокационных приемоответчиков среди различных источников установлено, что известные устройства отличаются составом действий и их последовательностей. Среди этих источников просмотрены авт. свидетельства СССР SU 671515 A1 (опубл. 30.03.1984, бюл. №12); SU 854163 A1 (опубл. 30.05.1992, бюл. №20); SU 1818605 A1 (опубл. 30.05.1993, бюл. №20); патенты РФ RU 2096805 C1 (опубл. 20.11.1997); RU 2191403 C1 (опубл. 20.10.2002, бюл. №29); RU 2193783 C2 (опубл. 27.11.2011, бюл. №33); RU 2242020 C2 (опубл. 10.07.2004, бюл. №19); RU 2321021 C1 (опубл. 27.03.2008, бюл. №9); RU 2338221 C1 (опубл. 10.11.2008, бюл. №31); RU 2343501 C1 (опубл. 10.01.2009, бюл. №1); патенты РФ на полезную модель RU 166135 U1 (опубл. 20.11.2016, бюл. №32), RU 87542 U1 (опубл. 10.10.2009, бюл. №28), RU 116650 U1 (опубл. 27.05.2012, бюл. №15); фиг. 1 и 2 патента США US 5486830 A (опубл. 23.01.1996) и литература (см. стр. 706, фиг. 13.8, [16]; стр. 658-659, рис. 23.2, 23.3, [17]; стр. 489, рис. 7, [18]; стр. 497-501, рис. 11.1, [19]; стр. 83-86, рис. 3.18, [20]; стр. 758-774, рис. 14.12, [21]; стр. 43-47, рис. 2.18, [22]). Таким образом, результаты поиска позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию «Новизна».
Техническая сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что перевод СВЧ-генератора из режима асинхронного приема запросного сигнала в синхронный режим приема частотно-модулированных радиосигналов расширяет динамический диапазон по уровню сигнала запроса, рабочий диапазон дальности в область малых расстояний (от десятков до порядка сотен метров) и сужает занимаемую системой радиозондирования полосу частот. Предложенный режим работы СВЧ-генератора описан в общедоступной литературе. Однако его применение в предлагаемом способе обеспечивает такие возможности, которые явным образом не следуют из уровня техники, что соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Изобретение направлено на улучшение характеристик работы систем радиозондирования, предназначенных для получения метеорологических данных о состоянии атмосферы, что необходимо для различных отраслей деятельности человека. Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «Промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежом на фиг. 1, на котором представлена структурная схема автодинного синхронного приемопередатчика (АСПП). На фиг. 2 представлены характеристики и временные диаграммы, поясняющие принцип преобразования радиосигнала с частотной модуляцией в информационный сигнал посредством синхронизированного СВЧ-генератора.
АСПП системы радиозондирования атмосферы, реализующий предлагаемый способ синхронного приема и обработки запросного сигнала, содержит (см. фиг. 1) последовательно соединенные антенну 1, СВЧ-генератор 2 с возможностью электрического управления частотой и его отключением, устройство 3 регистрации автодинного сигнала, усилитель 4, полосовой фильтр 5, линейный амплитудный детектор 6, компаратор 7, временной селектор 8 и формирователь 9 импульсов ответной паузы, выход которого подключен к входу управления отключением СВЧ-генератора 2 (см. патент РФ RU2624993C1, опубл. 11.07.2017, бюл. №20, [9]).
Антенна 1 может иметь различное исполнение, зависящее от требований к диаграмме направленности и рабочего диапазона частот, например, в виде несимметричного четвертьволнового вибратора согласно фиг. 4 и 8 патента РФ RU 2214614 C2 (опубл. 20.10.2003, бюл. №29), щелевого или полоскового вибратора, рупорной, диэлектрической стержневой, спиральной антенны или типа «волновой канал» (см. соответственно стр. 115, 149, 218, 239, 260, [23]).
СВЧ-генератор 2, может быть выполнен, например, в виде СВЧ генераторного модуля на основе транзистора (см. фиг. 7 и 8 патента RU 2345379 С1, опубл. 27.01.2009, бюл. №3), на диоде Ганна или лавинно-пролетном диоде (см. стр. 194, 195, рис. 4.24 и 4.25, [24]). Для обеспечения модуляции частоты генерации сигналом телеметрии в резонатор СВЧ-генератора может быть помещен варикап (см. стр. 80-84, [25]) или использован метод модуляции изменением питающего напряжения (см. рис. 18, статьи [26]).
Устройство 3 регистрации автодинного сигнала также имеет альтернативные технические решения. Например, при регистрации сигнала в цепи питания СВЧ-генератора 2 устройство 3 может быть выполнено в соответствие с одной из схем, представленных на рис. 14 статьи [26], или по схеме с трансформаторно-емкостной связью контуров (см. рис. 74, монографии [27]). В случае регистрации сигнала по изменению амплитуды колебаний устройство 3 регистрации преобразованного сигнала обычно выполняется на основе детекторного диода. Этот диод помещается непосредственно в резонатор СВЧ-генератора 2 или в связанную с резонатором передающую линию, как показано на фиг. 2 патента РФ RU 2295911 C1 (опубл. 27.03.2007, бюл. №9) и на рис. 6а и 9а статьи [26].
Усилитель 4 автодинного сигнала может быть выполнен в виде обычного полосового усилителя с линейной или логарифмической амплитудной характеристикой в рабочем диапазоне уровней сигнала (см., например, стр. 60, рис. 4.3, [28]).
ПАВ
ПАВ
н
н
В качестве полосового фильтра 5 может использоваться фильтр на поверхностных акустических волнах (ПАВ), с центральной частотой, равной частоте преобразованного автодинного сигнала, а полоса П пропускания его определяется условием прохождения радиоимпульса запроса без существенных искажений: П≈6/t, где t - длительность импульса (см. рис. 4.22, стр. 72, стр. 241-243, [28]). В качестве линейного амплитудного детектора 6 может использоваться диодный амплитудный детектор, выполненный по последовательной или параллельной схеме (см. рис. 7.1, стр. 123, рис. 7.8, стр. 131, [28]). Компаратор 7 может быть выполнен на микросхеме К521САЗ согласно электрической схеме, приведенной на рис. 6.7,б, стр. 170, [29]. Временной селектор 8 импульсов может быть выполнен по одной из электрических схем селекторов импульсов по длительности, представленных на рис. 6.8 и описанных на стр. 117-119 книги [30], а также на стр. 509-511, 516-517, [31]. Формирователь 9 импульса ответной паузы может быть выполнен на микросхеме таймера КР1006 ВИ1 (см. рис. 7.6, стр. 191, [29]).
АСПП, реализующий заявленный способ, работает следующим образом.
0
СТ
При подаче на устройство напряжения питания в СВЧ-генераторе 2 (см. фиг. 1) возникают колебания СВЧ на частоте ω, которые излучаются антенной 1 в виде электромагнитных волн в окружающее пространство. При этом сигнал телеметрии U, подаваемый на встроенный в резонатор СВЧ-генератора 2 варикап или в цепь его питания (см. рис. 18, статьи [26]) вызывает узкополосную частотную модуляцию этого излучения.
0
В соответствии с заложенным в работу радиолокационной станции (РЛС) принципом действия (см. стр. 74-87, [5]) радиоприемное устройство РЛС посредством направленной антенны осуществляет прием телеметрического сигнала с борта АРЗ, его детектирование и дешифрацию, а также регистрацию данных. При этом системами привода и управления антенной выполняется измерение угловых координат положения АРЗ относительно РЛС, которые совместно с данными о расстоянии до АРЗ обеспечивают определение скорости и направления ветра. Отметим, что в процессе приема сигналов АРЗ системой автоматической подстройки частоты (АПЧ) РЛС производится коррекция частоты задающего генератора передатчика на частоту, близкую средней частоте ω излучения СВЧ-генератора 2 АСПП.
запр
п
зап.
Радиопередающее устройство РЛС вырабатывает периодические СВЧ радиоимпульсы запроса на частоте ω с периодом повторения Т и длительностью t Например,  Заполняющие эти радиоимпульсы СВЧ колебания подвергнуты узкополосной частотной модуляции (ЧМ) квазигармоническими колебаниями с частотой порядка 10…20 МГц и постоянной величиной девиации частоты. Сформированные таким образом в передатчике РЛС радиоимпульсы далее с помощью направленной антенны РЛС излучаются в виде электромагнитных (ЭМ) волн в направлении АРЗ.
запр
0
запр
Принятое на борту АРЗ антенной 1 ЭМ излучение на частоте ω преобразуется в электрические колебания, которые в виде запросных радиоимпульсов с внутриимпульсной частотной модуляцией поступают в резонатор СВЧ-генератора 2. Здесь они смешиваются с собственными колебаниями СВЧ-генератора 2, имеющими частоту ω, которая может несколько отличаться от частоты ω вследствие температурных уходов при подъеме АРЗ и естественных нестабильностей. Образовавшаяся в резонаторе смесь колебаний, взаимодействуя на нелинейности активного элемента СВЧ-генератора 2, вызывает ряд нелинейных явлений в его автоколебательной системе.
Одно из фундаментальных явлений, характерных этим системам, состоит в том, что если частота воздействующего на СВЧ-генератор 2 сигнала находится внутри полосы его синхронизации, то происходит захват его частоты и ее удержание с точностью до фазового сдвига. При этом изменения частоты и фазы воздействующего радиосигнала вызывают соответствующие изменения частоты и амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2, а также среднего значения величины смещения (тока или напряжения) активного элемента. Данное явление широко описано литературе [10, 12, 14], а также отмечены области его применения, например, оно используется для детектирования частотно-модулированных (ЧМ) колебаний (см. стр. 175-178, [32]).
н
н
0
На фиг. 2 представлены диаграммы, поясняющие принцип демодуляции ЧМ посредством синхронизированного СВЧ-генератора 2. На диаграммах под литерой «А» приведены нормированные относительно максимальных значений амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) a(χ), полученные для различных значений коэффициента γ неизохронности СВЧ-генератора 2: γ=0 (кривая 1); γ=0,5 (кривая 2); γ=1 (кривая 3); γ=5 (кривая 4) [13]. Эти характеристики показывают зависимость нормированной величины изменений амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2 a(χ) (соответственно и отклик в цепи питания), от величины относительной отстройки частоты χ запросного сигнала от центральной частоты ω СВЧ-генератора 2 в пределах границ полосы синхронизации,
где
с
0
- относительная отстройка частоты ω запросного сигнала от центральной частоты ω СВЧ-генератора 2;
- полуширина полосы синхронизации;
- абсолютная величина отстройки частоты запросного сигнала от середины полосы синхронизации;
0
ω - серединная частота полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;
- коэффициент относительного уровня сигнала запроса;
с
0
Р, Р - мощность принятого запросного сигнала и выходная мощность СВЧ-генератора 2 соответственно;
γ - коэффициент неизохронности СВЧ-генератора 2;
вн
Q - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора 2.
На диаграмме под литерой «Б» приведена временная диаграмма χ(t) мгновенных изменений частоты сигнала запроса, воздействующего на СВЧ-генератор 2 в центре полосы синхронизации. Величина девиации частоты этого сигнала принята равной половине полуширины полосы синхронизации.
н
На диаграмме под литерой «В» приведена временная диаграмма а(t) выходного сигнала для случая СВЧ-генератора 2, имеющего коэффициент неизохронности γ=5 (см. кривую 4 на диаграмме под литерой «А»). Высокие значения коэффициента γ неизохронности являются характерными для реальных СВЧ-генераторов, выполненных на полупроводниковых приборах (см. рис. 2.10, стр. 48, рис. 2.22, стр. 64, [32]). Кроме того, наличие варикапа в колебательной системе, как правило, дополнительно увеличивает значение коэффициента γ неизохронности СВЧ-генератора 2.
Из представленных графиков видно, что с увеличением коэффициента γ неизохронности АЧХ синхронизированного СВЧ-генератора 2 вырождается практически в прямую линию (см. кривую 4 на диаграмме под литерой «А»). Такой вид АЧХ обеспечивает высокую линейность преобразования ЧМ в изменения амплитуды колебаний. При этом детектирование изменений амплитуды колебаний с помощью внешнего детектора или автодетектирования их в цепи питания посредством устройства 3 регистрации обеспечивает практически линейную демодуляцию ЧМ.
c
c
Необходимо отметить, что по обеим осям АЧХ (см. фиг. 2) денормированные переменные Δ4 (по вертикали) и Δω (по горизонтали) одинаково (прямо пропорционально) зависят от величины относительного уровня сигнала запроса Г:
где
Δ4 - абсолютные изменения амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2;
- нормированная величина изменений амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2;
0
A - амплитуда стационарных колебаний автономного СВЧ-генератора 2;
- коэффициент относительного уровня сигнала запроса;
c
0
P, P - мощность принятого запросного сигнала и выходная мощность СВЧ-генератора 2 соответственно;
a
K - коэффициент автодинного усиления СВЧ-генератора 2;
- абсолютная величина отстройки частоты запросного сигнала от середины полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;
c
0
- относительная отстройка частоты ω запросного сигнала от центральной частоты ω СВЧ-генератора 2;
- полуширина полосы синхронизации;
0
ω - серединная частота полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;
γ - коэффициент неизохронности СВЧ-генератора 2;
вн
Q - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора 2.
Беря отношение выражений (3) и (4) с учетом того, что максимальные значения  получим формулу для расчета крутизны характеристики преобразования СВЧ-генератором 2 ЧМ запросного радиоимпульса в напряжение преобразованного сигнала:
- максимальные изменения амплитуды колебаний СВЧ-генератора 2;
- абсолютная отстройка частоты запросного сигнала от середины полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;
0
A - амплитуда стационарных колебаний автономного СВЧ-генератора 2;
a
K - коэффициент автодинного усиления СВЧ-генератора 2;
0
ω - серединная частота полосы синхронизации СВЧ-генератора 2;
γ - коэффициент неизохронности СВЧ-генератора 2;
вн
Q - внешняя добротность колебательной системы СВЧ-генератора 2;
- максимальные изменения частоты запросного сигнала.
ЧМ
0
a
вн
ЧМ
Из полученной формулы (5) видно, что крутизна S характеристики преобразования ЧМ в автодинный отклик СВЧ-генератора 2 не зависит от уровня сигнала запроса. Расчет при A=5 В, K=2, Q=100 и γ=5 при частоте несущей  дает значение крутизны S = 18 мВ/МГц. При величине девиации частоты, например,  (0,5 МГц) амплитуда преобразованного сигнала на выходе СВЧ-генератора 2 и, соответственно, на выходе устройства 3 регистрации сигнала по изменению амплитуды колебаний (с помощью, так называемого, внешнего детектора) составляет 9 мВ. При выделении сигнала с помощью устройства регистрации в цепи питания амплитуда сигнала определяется его параметрами преобразования изменений тока или напряжения смещения активного элемента в напряжение выходного сигнала [26].
Таким образом, сигнал запроса в виде СВЧ радиоимпульса СВЧ-генератором 2 преобразуется в радиоимпульс, заполненный колебаниями частоты частотной модуляции излучения, при этом его амплитуда при постоянной величине девиации частоты прямо пропорциональна амплитуде сигнала запросного СВЧ радиоимпульса. Необходимо отметить, что величина девиации частоты выбирается при минимальном уровне запросного сигнала, который соответствует максимальной дальности от РЛС до АРЗ. Это обеспечивает стабильность работы АСПП во всем диапазоне дальностей от десятков метров до дальности, ограниченной энергетическим потенциалом системы и рельефом местности.
После усиления в усилителе 4 этот радиоимпульс селектируют по частоте полосовым фильтром 5, затем детектируют линейным амплитудным детектором 6, получая видеоимпульсы, и, в случае превышения порогового уровня компаратора 7, полученные импульсы с выхода компаратора 7 поступают на вход временного селектора 8 запросных импульсов. Временной селектор 8 импульсов при соответствии длительности и периода повторения принятых импульсов временным параметрам запросных сигналов РЛС, вырабатывает импульс, поступающий на вход формирователя 9 импульса ответной паузы.
Формирователь 9 импульса ответной паузы производит кратковременное (порядка 1…2 мкс) прерывание работы СВЧ-генератора 2 и, соответственно, передачи электромагнитных колебаний от СВЧ-генератора 2 в антенну 1. Данное прерывание достигается в простейшем случае путем электронного отключения питания СВЧ генератора 2.
В соответствии с заложенным принципом действия РЛС (см. стр. 74-87, [5]) по временному положению принятой радиоприемным устройством РЛС паузы относительно момента посылки запросного радиоимпульса измеряется наклонная дальность до АРЗ, необходимая наряду с угловыми координатами для определения текущих координат нахождения радиозонда. При этом вносимая предлагаемым устройством временная задержка, связанная с приемом, обработкой и формированием ответной паузы, легко учитывается при калибровке РЛС.
СВЧ-генератор 2 в устройстве, выполненном согласно предложенному способу синхронного приема и обработки запросных сигналов работает практически при непрерывном излучении в режиме стационарных колебаний автодинного синхронного преобразователя узкополосных частотно-модулированных запросных радиоимпульсов. Одновременно СВЧ-генератор 2 в промежутках времени между моментами приема запросных сигналов является узкополосным частотно-модулированным передатчиком информации телеметрического канала АРЗ. Узкополосная частотная модуляция и формирование ответных пауз путем кратковременных прерываний СВЧ-генератора 2 не оказывает существенного влияния на его режим работы и спектр излучения. Исключение разноса частот запросной РЛС и АСПП значительно уменьшило полосу занимаемых системой радиозондирования атмосферы частот, чем достигнуто уменьшение вероятности создания помех работе других радиотехнических систем, включая системы ГЛОНАСС/GPS.
Таким образом, предлагаемый способ синхронного приема и обработки запросных сигналов системы радиозондирования атмосферы при сохранении функциональных возможностей известных аналогов обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение устойчивости режима и надежности работы СВЧ-генератора в широком диапазоне расстояний, от места пуска АРЗ до его предела по дальности, ограниченного энергетическим потенциалом АСПП и рельефом местности, а также расширение динамического диапазона по уровню сигнала запроса и решение задачи электромагнитной совместимости с другими системами.
При этом необходимо добавить, что при использовании предлагаемого способа синхронного приема и обработки запросных сигналов в существующих системах радиозондирования потребует лишь несущественных конструктивных изменений в РЛС, связанных с введением частотного детектора в канал приема телеметрического сигнала, и частотного модулятора запросного передатчика. Экспериментальные результаты, полученные для макета АСПП на основе транзисторного генератора на частоту 1780 МГц, подтвердили возможность реализации предлагаемого способа [13].
Литература
1. Смирнов Г.Д., Горбачев В.П. Радиолокационные системы с активным ответом. - М.: Воениздат, 1962. 116 с.
2. Хахалин B.C. Современные радиозонды. - М.: Госэнергоиздат, 1959. 65 с.
3. Авт. свидетельство СССР SU115078, опубл. 01.01.1958. Передатчик-ответчик для радиозонда / B.C. Хахалин, Б.В. Васильев, С.Ф. Калачинский.
4. Иванов В.Э., Гусев А.В., Игнатков К.А. и др. Современное состояние и перспективы развития систем радиозондирования атмосферы в России // Успехи современной радиоэлектроники. 2015. №9. С. 3-49.
5. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк СП. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств, под ред. В.Э. Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с.
6. Белкин М.К., Кравченко Г.И., Скоробутов Ю.Г., Стрюков Б.А. Сверхрегенераторы. - М.: Радио и связь, 1983, 248 с.
7. Кудинов С.И., Иванов В.Э. Исследование влияния флуктуационных и ударных колебаний на чувствительность сверхрегенеративных приемопередающих устройств // Ural Radio Engineering Journal. 2019. Т. 3. №2. С. 170-194.
8. Кудинов СИ. Транзисторные сверхрегенеративные приемопередающие устройства с повышенным потенциалом в системах радиолокации и связи / Диссертация к.т.н. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. - 158 с.
9. Патент РФ RU 2624993 С1, опубл. 11.07.2017, Бюл. №20. Заявка №2016121285 от 30.05.2016. МКИ (2006.01) G01S 13/74. Автодинный приемопередатчик системы радиозондирования атмосферы / В.Я. Носков, В.Э. Иванов, К.А. Игнатков, С.И. Кудинов, А.В. Гусев.
10. Демьянченко А.Г. Синхронизация генераторов гармонических колебаний. - М.: Энергия, 1976. - 240 с.
11. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Определение динамических параметров автодинов методом биений // Ural Radio Engineering Journal. 2019. T.3. №3. C. 261-285.
12. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауса, Д. Моргана. - М.: Мир, 1979. - 443 с.
13. Носков В.Я., Иванов В.Э., Гусев А.В. и др. Применение автодинов в перспективных системах радиолокационного зондирования атмосферы // Ural Radio Engineering Journal. 2022. Т. 6. №1. С. 11-53.
14. Курокава К. Принудительная синхронизация твердотельных СВЧ-генераторов // ТИИЭР, 1973, т. 61, №10, стр. 12-40.
15. Минаев М.И. Низкочастотный спектр автодинного преобразователя частоты // Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1989. №. 7. С. 12-14.
16. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. - М.: Мир, 1965, 747 с.
17. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Под ред. В.В. Григорина-Рябова. - М.: Сов. радио, 1970, 680 с.
18. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970: Пер. с англ. Том 3. Радиолокационные устройства и системы / Под ред. А.С Виницкого. - М.: Сов. радио, 1978. - 528 с.
19. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.
20. Давыдов П.С., Сосновский А.А., Хаймович И.А. Авиационная радиолокация: Справочник. - М.: Транспорт, 1984. - 223 с.
21. Авиационные радиолокационные комплексы и системы / П.И. Дудник, Г.С Кондратенков, Б.Г. Татарский и др. Под ред. П.И. Дудника. - М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006. - 1112 с.
22. Радиоэлектронная авионика / Э.А. Болелов, И.Б. Губерман, А.Т. Кудинов, С.Б. Стукалов. - М.: ИД Академии Жуковского, 2020. - 80 с.
23. Антенны и устройства СВЧ. Расчет и проектирование антенных решеток и их излучающих элементов. / Под ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1972, 320 с.
24. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот.- Л.: Судостроение, 1990, 264 с.
25. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. - М.: Радио и связь, 1982, 112 с.
26. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Мишин Д.Я., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Часть 11. Основы реализации автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. №2. С. 5-33.
27. Костылев С.А., Гончаров В.В., Соколовский И.И., Челядин А.В. Полупроводники с объемной отрицательной проводимостью в СВЧ полях: Электронные процессы и функциональные возможности. - Киев: Наук, думка, 1987.- 144 с.
28. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989, 342 с.
29. Коломбет Е.А. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. - М.: Радио и связь, 1991. - 376 с.
30. Щербаков В.И., Грездов Г.И. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. - К.: Техника, 1983, 213 с.
31. Ерофеев Ю.Н. Импульсные устройства. - М.: Высшая школа, 1989, 589 с.
32. Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных генераторах / Под ред. Н.Н. Фомина. - М.: Радио и связь, 1991. - 192 с.