СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИК АЭРОЛОГИЧЕСКОГО РАДИОЗОНДА С ВЫСОКОДОБРОТНЫМ РЕЗОНАТОРОМ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в аэрологических радиозондах (АРЗ) систем радиозондирования атмосферы для измерения дальности до радиозонда импульсным методом, пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения малогабаритных и экономичных приемо-передающих устройств систем радиолокации и связи.
н
Отечественные системы радиозондирования атмосферы (CP) построены по угломерно-дальномерному методу измерения координат, скорости и направления движения радиозонда в свободной атмосфере. Измерение угловых координат: -азимута (β), угла места (ε), а, также, наклонной дальности (R) импульсным методом с активным ответом особенно эффективным оказалось при использовании в составе радиозондов сверхрегенеративных приемопередатчиков-ответчиков (СПИ). Интенсивное излучение СПП обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП к импульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении СПП при пониженной мощности передатчика запросного радиоимпульса РЛС. Весьма важным, в конечном счете, оказывается тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации системы радиозондирования работают на одной несущей частоте.
Известен сверхрегенеративный приемо-передатчик, содержащий соединенные последовательно генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор и антенну, источник питания, первый выход которого соединен с 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. Сверхрегенеративный приемопередатчик). 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 приемопередатчик, 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). Его недостатком является связанность регулировок по частоте и режиму работы, т.е. если регулируется частота, то регулируется и коэффициент обратной связи автогенератора и наоборот, а на практике желательно и даже необходимо иметь независимые регулировки по частоте и режиму работы автогенератора.
Известен сверхрегенеративный приемо-передатчик радиозонда СВЧ автогенератор которого подключен к антенной системе АРЗ через полосовой фильтр, который позволяет снизить влияние активных внешних помех и развязать антенну АРЗ от цепи коллектора СВЧ транзистора по постоянному току (см. патент РФ №56001 на полезную модель. Приемопередатчик аэрологического радиозонда.).
Известен сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда СВЧ-автогенератор которого снабжен усовершенствованным стабилизатором среднего тока. Стабилизатор тока обеспечивает необходимую стабильность работы приемопередатчика в условиях эксплуатации (см. патент РФ №67729. Выходной каскад СВЧ автогенератора сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда).
Известен сверхрегенеративный приемо-передатчик радиозонда СВЧ-автогенератор которого построен на основе СВЧ модуля обеспечивающего за счет конструктивных решений пониженный уровень низкочастотных ударных колебаний, следовательно повышенную чувствительность сверхрегенеративного приемопередатчика, (см. патент РФ №2345379. СВЧ модуль сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда).
Известен сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда СВЧ автогенератор которого построен по трехрезонаторной схеме реализованной на микрополосковых линиях, а генератор суперирующих импульсов которого нагружен на цепочку прямосмещенных диодов, обеспечивающих низкое выходное сопротивление генератора суперирующих импульсов, что является необходимым условием для реализации жесткого характера переходного процесса установления автоколебаний и повышения эффективности работы сверхрегенеративного приемопередатчика, (см. патент РФ на полезную модель №50682. Сверхрегенеративный приемопередатчик).
Известен генератор суперирующих импульсов сверхрегнеративного приемопередатчика аэрологического радиозонда выходной каскад которого построен на основе эмиттерного повторителя обеспечивающего низкое выходное сопротивление необходимое для реализации жесткого характера переходного процесса установления автоколебаний в СПП (см. патент РФ на полезную модель №93546. Генератор суперирующих импульсов сверхрегнеративного приемопередатчика аэрологического радиозонда).
Известен сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда СВЧ-автогенератор которого построен по наиболее совершенной трехрезонаторной схеме реализованной на микрополосковых линиях. Введение третьего резонатора в цепь базы позволило раздельно и эффективно регулировать модуль и фазу коэффициента обратной связи СВЧ автогенератора и, следовательно, оптимально настраивать чувствительность, совмещение частоты приема и излучения, а также выходную мощность СПП (см. патент РФ №2291467. Сверхрегенеративный приемопередатчик), ПРОТОТИП.
Недостатком всех известных технических решений и ПРОТОТИПА является низкая добротность микрополосковых высокочастотных резонаторов СВЧ автогенератора, слабая развязка и блокировка от цепей питания и управления СПП, что усложняет настройку, снижает стабильность работы и к.п.д. СПП. Этот паразитный отрицательный эффект особенно проявляется при использовании современных СВЧ транзисторов обладающих высоким коэффициентом усиления в широком диапазоне частот.
Общей проблемой производства и эксплуатации АРЗ является создание недорогих конструкций приемо-передающих устройств, стабильных по радиотехническим параметрам в условиях изменения давления, окружающей температуры, напряжения питания и параметров антенной системы АРЗ.
Технической задачей полезной модели является повышение стабильности частоты приема и передачи, снижение разности частот приема и передачи, повышение чувствительности и к.п.д приемопередатчика за счет:
- включения в цепи обратной связи СВЧ-модуля автогенератора высокодобротного резонатора, позволяющего обеспечить указанные достоинства за счет повышения крутизны частотно-фазовой характеристики высокодобротного резонатора тем самым, повысить чувствительность, мощность излучения и стабильность режима работы сверхрегенеративного приемопередатчика;
- повышения технологичности настройки и снижения стоимости производства радиозондов.
Для решения поставленной задачи предлагается сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда с высокодобротным резонатором, содержащий источник питания с нулевой шиной, стабилизатор напряжения питания, стабилизатор среднего тока СВЧ-модуля, СВЧ-модуль, генератор суперирующего напряжения, инерционную цепь автосмещения, приемо-передающую антенну, отличающийся тем, что в обратную связь СВЧ-модуля введена частотно-задающая цепь, состоящая из последовательно включенных высокодобротного резонатора и подстроечной емкости, один конец которой соединен с базой транзистора СВЧ-модуля, а второй с нулевой шиной.
Для пояснения сути предполагаемой полезной модели изобретения приведены следующие структурные и электрические схемы и графики:
Фиг. 1 - Структурная схема сверхрегенеративного приемопередатчика аэрологического радиозонда;
Фиг. 2 - Зависимость затухания контура СВЧ автогенератора от амплитуды колебаний;
Фиг. 3 - Осциллограммы, поясняющие принцип работы СПП с жестким характером установления автоколебаний;
Фиг. 4 - Электрическая схема СВЧ модуля сверхрегенеративного приемопередатчика;
Структурная схема СПП приведенная на фиг. 1 содержит: источник питания - 1; стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора - 2; стабилизатор напряжения питания СВЧ-автогенератора - 3; генератор суперирующего напряжения (ГСН) - 4; инерционную цепь автосмещения - 5; СВЧ автогенератор - 6; приемопередающую антенну АРЗ - 7.
Структурная схема СПП (фиг. 1) имеет следующие соединения: источник питания 1 соединен со стабилизатором напряжения 3, первый выход последнего соединен со стабилизатором среднего тока автогенератора 2, а второй выход соединен с входом питания генератора суперирующего напряжения 4, выход которого соединен с входом инерционной цепи автосмещения 5; первый выход стабилизатора тока 2 соединен с входом питания СВЧ автогенератора 6, а второй выход стабилизатора тока 2 соединен с выходом инерционной цепи автосмещения 5 и входом СВЧ-автогенератора 6, выход\вход которого соединен с приемопередающей антенной 7; вход модуляции подключен к генератору суперирующего напряжения.
зс
и зс
изл
и
c
с
с
(t)
эо
На фиг. 3 приведены: - U - огибающая радиоимпульсов запросного сигнала РЛС длительностью τ; - U - огибающая радиоимпульсов излучаемых СПП длительностью τ; - U - напряжение суперирующей частоты, характеризующееся периодом Т и длительностью τ; δ - закон изменения декремента затухания контура СВЧ-автогенератора; I - видеоимпульсы постоянного тока эмиттера СВЧ-транзистора.
с
c
д
с
0
с
Принципиальные особенности функционирования СПП можно пояснить, анализируя его работу в течение одного периода суперирующей частоты Т, (фиг. 3). СВЧ-автогенератор (СВЧ-АГ) СВЧ модуля периодически включается в момент появления суперирующего импульса U и выключается по его окончании на интервале демпфирования τ. Рабочая частота СВЧ-АГ составляет порядка 1680 МГц. Частота суперирующего напряжения составляет 800 кГц (период Т=1,25 мкс). Колебательная система СПП в выключенном состоянии характеризуется собственным затуханием δ Изменение затухания контура в течение импульса суперизации τ определяет процесс развития и установления колебаний в стационарном режиме.
п
ст
Для обеспечения высокой чувствительности в приемном режиме необходимо осуществлять включение СВЧ автогенератора с минимальным значением пускового отрицательного затухания δ. Для достижения максимальной выходной мощности пропорциональной А в СПП требуется увеличивать отрицательное затухание в области средних и больших амплитуд для данного типа активного прибора автогенератора. Для осуществления этих противоречивых требований оказалось необходимым реализовать в контуре СПП режим жесткого установления колебаний [1]. Данный результат может быть получен при анализе упрощенного варианта нелинейного уравнения автогенератора:
п1
п3
ст
п
ст
мах
Качественный анализ уравнения позволяет выяснить особенности поведения функции δ(t,A) в зависимости от амплитуды колебаний А (Фиг. 2) и во временной области (фиг. 3). Исследование различных вариантов реализации функции δ(t,A) показывают, что, в отличие от рекомендуемого в известной литературе мягкого режима установления колебаний в классическом сверхрегенераторе (при δ(A)=δ), в СПП необходимо реализовать переходной процесс с жестким характером установления колебаний [1]. В этом случае запуск СПП может происходить с минимальным отрицательным значением затухания при δ(A)=δ, что обеспечивает минимальную полосу пропускания и высокую чувствительность. Установление стационарного режима происходит в области максимальных значений амплитуд А, следовательно, при высоком уровне выходной мощности. Необходимо подчеркнуть, что изменение пускового затухания δ практически не влияет на А. Это позволяет, в конечном счете, раздельно и эффективно регулировать параметры приемного и передающего режимов работы СПП путем регулировки пускового тока СВЧ-АГ в момент включения. Следует подчеркнуть, что для обеспечения переходного процесса с жестким характером установления колебаний необходимо цепь базы транзистора СВЧ автогенератора управлять импульсами напряжения, вырабатываемыми генератором суперирующего напряжения (ГСН) с низким выходным сопротивлением, а коэффициент усиления СВЧ транзистора по мощности должен быть максимально возможным. Практически импульсы ГСН формируются с помощью эмиттерного повторителя, обеспечивающего низкое дифференциальное выходное сопротивление ГСН. Максимум отрицательного затухания δ(t)=δ в области средних значений амплитуд обеспечивает быстрый переход от приемного к передающему режиму работы СПП. Это способствует формированию практически прямоугольных радиоимпульсов и симметричного спектра излучения СПП, характерного для последовательности классических радиоимпульсов.
з
з
зс
пр
Сверхрегенеративный эффект усиления сводится к сокращению времени задержки τ переднего фронта радиоимпульсов СВЧ-АГ на величину Δτ при появлении внешнего сигнала U в течение приемного интервала работы τ, примыкающего к моменту запуска СПП. Соответственно возрастает длительность радиоимпульса и его энергия. Уровень выходного сигнала СПП в зависимости от уровня запросного сигнала в режиме первичной реакции можно оценить с помощью упрощенного выражения:
∑
А - эффективная амплитуда шумов в контуре СПП в момент запуска;
с
А - амплитуда внешнего сигнала.
з
п
п
к
гр
п
к
гр
п
з
з
с
Приведенные выражения показывают, что эффект усиления Δτ в основном определяется величиной пускового затухания δ. Возникновение автоколебаний происходит при пусковом затухании δ≥0, когда ток коллектора активного прибора превышает граничное значение I≥I. Развитие автоколебаний происходит при δ>0, которое определяется пусковым током автогенератора I>I в момент запуска. Поэтому изменение величины I приводит к регулировке времени задержки τ и эффекта усиления - приращения времени задержки Δτ. Таким образом, СПП является приемопередатчиком с временным разделением приемного и передающего режимов работы в течение одного периода суперирующей частоты Т.
п
гр
п
эо
ко
эо
эо max
ст
эо max
п
к ср
з
с
з
п
к ср
к ср
п
з
и
к ср
к ср
з
и
с
Важно подчеркнуть, что в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП пусковой ток I в течение приемного интервала превышает граничное значение I практически всего на десятки-сотни мкА. Поэтому для снижения эффекта ударного возбуждения контура СВЧ-АГ и обеспечения высокой чувствительности форма импульсов тока эмиттера в течение приемного интервала должна быть плавно нарастающей от нуля до пускового значения I=5-10мА (см. фиг. 3). Далее постоянная составляющая тока эмиттера I (и тока коллектора I=I) изменяется синхронно с амплитудой автоколебаний за счет жесткого характера переходного процесса до максимальных значений для данного активного прибора вплоть до установления стационарного режима I=180-250 мА. При этом следует подчеркнуть, что стационарные амплитуды А и I не зависят от величины пускового тока I. Необходимо отметить, что среднее значение постоянного тока коллектора I за период суперизации определяется соотношением τ и τ. Поскольку величина τ регулируется пусковым током I, то оказывается, что регулировка среднего тока I вызывает соответствующее изменение пускового тока СВЧ-автогенератора. Например, при увеличении среднего тока I нарастает пусковой ток I, что приводит к уменьшению времени задержки τ, увеличению длительности радиоимпульсов τ и снижению чувствительности. При уменьшении среднего тока I процесс идет в обратном направлении. Таким образом, стабилизация I позволяет стабилизировать τ чувствительность и полосу пропускания в приемном режиме, а также длительность и мощность излучаемых радиоимпульсов СПП τ. Соответственно выбор длительности суперирующих импульсов т позволяет оптимизировать соотношение чувствительности и излучаемой средней мощности СПП [1].
к ср
к ср
к ср
к ср
Стабилизатор среднего тока I 2 СВЧ автогенератора 6 является важным узлом СПП. При нарастании тока I под действием дестабилизирующих факторов регулирующий транзистор будет уменьшать ток базы СВЧ транзистора 6, возвращая к заданному значению величину тока I. При уменьшении тока I процесс стабилизации идет в обратном направлении. Необходимо подчеркнуть, что введение стабилизатора тока существенно облегчает настройку приемопередатчика в условиях производства, поскольку величина тока остается оптимальной при всех режимах итерационной регулировки устройства.
0
Введение в структуру СПП стабилизатора напряжения 3 источника питания-1 связано с необходимостью обеспечения стабильности несущей частоты СВЧ-автогенератора СПП в диапазоне ƒ=1680±5 МГц.
Генератор суперирующего напряжения 4 (ГСН) вырабатывает видеоимпульсы с частотой порядка 800 кГц, управляющие непосредственно работой СВЧ-автогенератора (фиг. 3). Практически эти импульсы формируются с помощью цепочки прямосмещенных диодов (см. патент №50682), либо с помощью эмиттерного повторителя включенного на выходе ГСН (см. патент РФ №93546) обеспечивающих его низкое дифференциальное выходное сопротивление.
Инерционная цепь автосмещения 5 необходима для повышения стабильности работы СВЧ автогенератора 6 и обеспечения режима работы с «ответной паузой» при измерении дальности в составе системы радиозондирования (см. патент РФ №2214614).
Для предотвращения паразитных резонансов в СВЧ модуль автогенератора введены блокировочные микрополосковые линии (МПЛ) W2, W3, W9, W10 длиной L=λ/4 и с волновым сопротивлением 80 Ом выполняющие роль высокочастотных блокировочных дросселей; МПЛ длиной λ/4 W1, W4, W11 с волновым сопротивлением 25 Ом (см. фиг. 4) выполняющие роль дополнительных блокировочных элементов с емкостным характером сопротивления - высокочастотных конденсаторов, снижающих влияние выводов цепей питания и управления СВЧ-АГ. МПЛ W6, W7 образуют элементы колебательной системы СВЧ-АГ. Однако они имеют низкую добротность и не обеспечивают современных требований к стабильности частоты автогенератора СПП. Поэтому для повышения стабильности частоты автоколебаний цепь обратной связи в СВЧ автогенераторе образована высокодобротным резонатором W8 и разделительным конденсатором С4. Изменение частоты резонатора W8 и величины емкости конденсатора С4 позволяет эффективно регулировать коэффициент обратной связи, режим работы и частоту автоколебаний СПП. Величина нагрузки СВЧ-АГ определяется местом подключения входа-выхода СВЧ с помощью МПЛ W5 к МПЛ W7 в цепи коллектора.
Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах: VT1 - СВЧ транзистор типа КТ637А, BFG 235А, BFG 135А (см. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности.: Справочник - 3-е изд.; Под ред. А.В. Голомедова. М.: КУбК-а, 1995г. стр. 406-407.; конденсаторы C1, С2, С3, С4 безвыводные, типа К10-47В (см. Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И. Чистякова, М, Р и С, 1990, стр. 403); микрополосковые линии W1-W11 могут быть рассчитаны и изготовлены по технологии печатного монтажа (см. Справочник по элементам полосковой техники, под ред. А.Л. Фильдштейна, М, Связь, 1979, стр. 20); безвыводные резисторы R1, R2 типа Р1-12 (см. Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И. Чистякова, М, Радио и Связь, 1990, стр. 381).
Настройка СВЧ модуля осуществляется на лабораторном стенде с волновым сопротивлением 50 Ом нагруженном на стандартную нагрузку. Основными параметрами, контролируемыми при настройке СПП являются: частота излучения СПП; выходная мощность; чувствительность к запросному сигналу; совмещение частот приема и передачи (излучения). Для нормального функционирования СПП требуется подобрать длину МПЛ W6 в цепи эмиттера, W7 в цепи коллектора, резонансную частоту резонатора W8 и величину конденсатора СЗ в цепи базы СВЧ транзистора WT1. Этим достигается оптимальное соотношение активной нагрузки и величины обратной связи в СВЧ АГ необходимые для осуществления сверхрегенеративного режима работы СПП. Рабочая частота СВЧ-АГ определяется настройкой резонатора W8 и в меньшей степени длиной МПЛ W6, W7. Увеличение длины любой МПЛ приводит к монотонному уменьшению частоты излучения. Однако изменение длины любой МПЛ приводит одновременно к изменению величины обратной связи в СВЧ-АГ и активной нагрузки. Поэтому процесс настройки имеет итерационный характер. Величина нагрузки СВЧ-АГ определяется местом подключения выхода СВЧ с помощью МПЛ W5 к МПЛ W7 в цепи коллектора. Наиболее существенное влияние на работу СПП оказывает высокодобротный резонатор W8, включенной в цепь базы через разделительный конденсатор С4, поскольку его частотно-фазовая характеристика в значительной степени определяет величину и фазу обратной связи в СВЧ автогенераторе.
Известно, что частота установившихся автоколебаний в автогенераторе определяется условием баланса фаз:
ос
р
кк
где - φ - сдвиг фаз в цепи обратной связи автогенератора определяемый высокодобротным резонатором; φ - сдвиг фаз в транзисторе автогенератора; φ - сдвиг фаз в колебательном контуре автогенератора образованном низкодобротными микрополосковыми линиями W6, W7.
р
кк
ос
Стабильность частоты автогенератора определяется крутизной суммарной фазо-частотной характеристики (3). Зависимость φ и φ от частоты имеют слабо выраженный, монотонный характер. Зависимость ф от частоты имеет высокую крутизну в пределах полосы пропускания высокодобротного резонатора, поэтому она определяет значение частоты автоколебаний, ее высокую стабильность и незначительное изменение частоты автоколебаний от момента запуска до их установления, т.е. способствует совмещению частоты приема и передачи.
Собственно работа СПП в составе радиотехнической системы подробно описана в упомянутых выше патентах РФ этого же автора и в литературе в описании данной заявки.
Разработка конструкции и технологии производства СПП на современных СВЧ транзисторах по рекомендациям данной заявки позволила обеспечить его чувствительность на уровне минус 95÷100 дБ/Вт при средней мощности излучения 250÷350 мВт и к.п.д. не менее 35%. Данный приемопередатчик АРЗ обеспечивает точное измерение наклонной дальности наземной РЛС до 250-300 км с погрешностью не хуже ±15 м, при малом уровне запросной мощности наземной РЛС. Так импульсная мощность передатчика РЛС составляет 200 Вт, средняя - 0,2 Вт. Передача телеметрических сигналов АРЗ в пакетном режиме осуществляется путем частотной или фазовой модуляции суперирующих импульсов. Таким образом, на одной несущей частоте осуществляется измерение всех координат АРЗ: угол места, азимут, дальность и обеспечивается передача телеметрических сигналов метеорологических величин. В конечном счете применение СПП позволяет значительно снизить стоимость АРЗ, затраты на получение аэрологической информации на сети Росгидромета РФ [2].
Литература
1. 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. 596с. ISBN 5-7691-1513-0. (см. стр. 551-554).
2. Современное состояние и перспективы развития систем радиозондирования атмосферы в России / В.Э. Иванов, А.В. Гусев, К.А. Игнатков, С.И. Кудинов, И.В. Малыгин, В.Я. Носков, О.В. Плохих, В.В. Рысев, О.А. Черных // Успехи современной радиоэлектроники. - 2015. - №9. - С. 3-49.