ВЫХОДНОЙ КАСКАД СВЧ-АВТОГЕНЕРАТОРА СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНОГО ПРИЕМО-ПЕРЕДАТЧИКА РАДИОЗОНДА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах радиозондирования атмосферы для измерения дальности до аэрологических радиозондов (АРЗ) импульсным методом и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использована для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств.
н
Отечественные системы радиозондирования атмосферы 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 (СПП). Интенсивное излучение СПП обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП позволяет сформировать ответный сигнал по дальности при пониженной мощности передатчика запросного радиоимпульса РЛС. Весьма важным, в конечном счете, оказывается тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации работают на одной несущей частоте.
Общей проблемой приемо-передающих устройств АРЗ является создание недорогих конструкций высокостабильных по радиотехническим параметрам, т.е. независимым от окружающей температуры, изменения напряжения питания и изменения согласования с антенной.
Известен сверхрегенеративный приемопередатчик, 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. В этом патенте введен стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора, который используется во всех типах радиозондов выпускаемых промышленностью РФ. Описание стабилизатора среднего тока приведено в книге (см. стр.551-554): Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств», под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0. ПРОТОТИП.
СВЧ - автогенератор построен по патенту РФ №2291467.
Недостатками прототипа являются построение стабилизатора по сложной электронной схеме, содержащей излишнее количество радиоэлементов, что приводит к повышенному потреблению энергии от бортового источника питания, что приводит к уменьшению времени работы АРЗ в полете, а значит к уменьшению количества получаемой метеорологической информации, а т.к. только в РФ запускается до 200000 АРЗ в год, то объем недополученной метеоинформации недопустимо велик.
Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств радиозондов, за счет:
- создание схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего повысить стабильность режима работы приемопередатчика, а именно, мощности излучения и чувствительности;
- технологической прозрачности решения этой задачи;
- снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения количества активных элементов и увеличения КПД, т.е. увеличение времени работы АРЗ;
- снижения стоимости производства;
- снижения массогабаритных характеристик АРЗ.
Для решения поставленной задачи предлагается СПП, содержащий регулирующий транзистор, выходной СВЧ-транзистор, шину питания и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор соединен с шиной питания, а непосредственно - с коллектором транзистора СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора через четвертый резистор соединен с базой выходного транзистора и вторым концом четвертого конденсатора, первый конец которого является входом всего выходного каскада; СВЧ-транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем λ/4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной <λ/4 играют роль емкости, а >λ/4 - роль индуктивности; первый конденсатор включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор - между базой и коллектором, третий конденсатор - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый - между базой СВЧ-транзистора и входом каскада; эмиттер регулирующего транзистора соединен с коллектором СВЧ-транзистора через
резистор и микрополосковый отрезок, а коллектор СВЧ-транзистора через микрополосковый отрезок соединен с антенной радиозонда.
На фиг.1 изображены графики, поясняющие принцип работы СПП с жестким характером установления автоколебаний; на фиг.2 приведена зависимость затухания контура СПП от амплитуды колебаний; на фиг.3 - принципиальная электрическая схема стабилизатора тока СВЧ-автогенератора; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда со стабилизатором тока по предлагаемой схеме, на фиг.5 - принципиальная электрическая схема сверхрегенеративного приемопередатчика со стабилизатором тока СВЧ-автогенератора..
СПП, содержит регулирующий транзистор VT1, выходной СВЧ-транзистор VT2, шину питания Ек и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый R1-R4 резисторы, первый, второй, третий и четвертый С1-С4 конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор VT1 выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя R1-R2, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания Ек и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор R3 соединен с шиной питания Ек, а непосредственно - с коллектором транзистора VT2 СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора VT1 через четвертый резистор R4 соединен с базой выходного транзистора VT2 и вторым концом четвертого конденсатора С4, первый конец которого является входом всего выходного каскада; СВЧ-транзистор VT2 включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем λ/4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора VT2 и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной <λ/4 играют роль емкости, а >λ/4 - роль индуктивности; первый конденсатор С1 включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор С2 -
между базой и коллектором, третий конденсатор С3 - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый конденсатор С4 - между базой СВЧ-транзистора VT2 и входом каскада; эмиттер регулирующего транзистора VT1 соединен с коллектором СВЧ-транзистора VT2 через резистор R5 и микрополосковый отрезок W4, а коллектор СВЧ-транзистора VT2 через микрополосковый отрезок W6-W7 соединен с антенной радиозонда.
Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах: VT1 и VT2 - СВЧ-транзисторы типа 2Т975А (Мощные полупроводниковые приборы, транзисторы. Справочник, под ред. А.В.Голомедова, М, Р и С, 1985, стр.503; конденсаторы С1-С5 безвыводные, типа К 10-47 «В» (Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И.Чистякова, М, Р и С, 1990, стр.403); МПЛ-отрезки и дроссели на микрополосковых линиях, (Справочник по элементам полосковой техники, под ред. А.Л.Фильдштейна, М, Связь, 1979, стр.20); резисторы типа Р1-12 (Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И.Чистякова, М, Р и С, 1990, стр.381).
c
c
c
(t)
изл
и
Принципиальные особенности функционирования СПП можно пояснить, анализируя его работу в течение одного периода суперирующей частоты. На фиг.1 изображены: - U - напряжение суперирующей частоты, характеризующееся периодом Т и длительностью τ; δ - закон изменения декремента затухания контура СВЧ автогенератора; - U - огибающая радиоимпульса излучаемого СПП длительностью τ.
c
д
0
c
СПП периодически включается в момент появления суперирующего импульса U и выключается по его окончании на интервале демпфирования τ. 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.
Для обеспечения высокой чувствительности в приемном режиме необходимо осуществлять включение СВЧ автогенератора с минимальным
п
cт
значением пускового отрицательного затухания δ. Для достижения максимальной выходной мощности пропорциональной A 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. Данный результат может быть получен при анализе упрощенного варианта нелинейного уравнения автогенератора, не учитывающего влияние слабого внешнего сигнала на стационарную амплитуду:
п
ст
п
ст
Качественный анализ уравнения позволяет выяснить особенности поведения функции δ(t, A) во временной области (Фиг.1) и в зависимости от амплитуды колебаний А (Фиг.2). Исследование различных вариантов реализации функции δ(t, A) показывают, что, в отличие от рекомендуемого в известной литературе [1] мягкого режима установления колебаний в классическом сверхрегенераторе, в СПП необходимо реализовать переходной процесс с жестким характером установления колебаний. В этом случае запуск СПП может происходить с минимальным отрицательным затуханием 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 δпрактически не влияет на А. Это позволяет, в конечном счете, раздельно и эффективно регулировать параметры приемного и передающего режимов работы СПП.
Максимум отрицательного затухания 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 радиоимпульсов. Таким образом, по-существу, СПП является приемопередатчиком с временным разделением приемного и передающего режимов работы.
з
з
зс
пр
Сверхрегенеративный эффект усиления сводится к сокращению времени задержки τ переднего фронта радиоимпульсов СВЧ автогенератора на величину Δτ при появлении внешнего сигнала U в течение приемного интервала работы τ, примыкающего к моменту запуска СПП. Уровень выходного сигнала СПП в зависимости от уровня запросного сигнала в режиме первичной реакции можно оценить с помощью упрощенного выражения:
где
∑
c
A - эффективная амплитуда шумов в контуре СПП в момент запуска; A - амплитуда внешнего сигнала.
з
п
п
к
гр
п
п
гp
п
з
з
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 равен граничному значению I=I. Развитие автоколебаний происходит при δ>0, которое определяется пусковым током автогенератора I>I в момент включения. Таким образом, изменением величины I осуществляется регулировка времени задержки τ и эффекта усиления - приращения времени задержки Δτ
ко
Практически в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП пусковой ток в течение приемного интервала превышает граничное значение всего на десятки-сотни мкА. Далее постоянная составляющая тока коллектора I изменяется синхронно с амплитудой автоколебаний за счет жесткого характера переходного процесса до максимальных значений для данного активного прибора вплоть до установления стационарного режима. При этом
ст
ко
к ср
з
с
з
п
к ср
к ср
з
и
с
стационарные амплитуды А и I не зависят от величины пускового тока. Необходимо отметить, что среднее значение постоянного тока коллектора за период суперизации I определяется соотношением τ и τ. Поскольку величина τрегулируется пусковым током I, то оказывается, что регулировка среднего тока I вызывает соответствующее изменение пускового тока СВЧ-автогенератора. Таким образом стабилизация I позволяет осуществить стабилизацию τ, следовательно, чувствительность и полосу пропускания в приемном режиме, а также длительность и мощность излучаемых радиоимпульсов СПП τ. Соответственно выбор длительности суперирующих импульсов τ позволяет оптимизировать соотношение чувствительности и излучаемой средней мощности СПП.
к ср
к ср
к ср
Работа стабилизатора осуществляется следующим образом. Стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора выполнен на транзисторе VT1; резисторах R1, R2, R3, R4; конденсаторах С1, С2, С3, С4. Резисторы R1, R2 образуют цепочку смещения базы транзистора VT1. На резисторе R3 средний ток коллектора СВЧ-автогенератора VT2 создает падение напряжения, которое является запирающим для транзистора VT1. Величина тока I регулируется выбором соотношения резисторов R1, R2. При нарастании тока I под действием дестабилизирующих факторов транзистор VT1 будет запираться и уменьшать ток базы СВЧ-транзистора, возвращая к заданному значению. При уменьшении тока I процесс стабилизации идет в обратном направлении.
Конденсаторы C1, C2, С3 включены таким образом, что они обеспечивают эффективную фильтрацию импульсов тока коллектора и соответствующий сдвиг фазы возмущающего воздействия по цепи обратной связи, образованной транзистором VT1 с целью максимального снижения влияния импульсов тока коллектора на приемный режим СПП.
к ср
к
Цепь смещения R1, R2 обеспечивает коррекцию тока I при изменении напряжения питания цепи коллектора Е таким образом, что чувствительность СПП остается постоянной. Так при повышении напряжения
к
к ср
питания Е повышается чувствительность и снижается стабильность работы СПП. Поскольку напряжение смещения базы транзистора VT1 также повышается, происходит соответствующее увеличение тока коллектора I, при этом чувствительность СПП стабилизируется.
Необходимо подчеркнуть, что введение стабилизатора тока существенно облегчает настройку приемопередатчика в условиях производства, поскольку величина тока остается оптимальной при всех режимах итерационной регулировки устройства.
Усовершенствование конструкции и технологии производства СПП позволило повысить его чувствительность до -90÷100 дБ/Вт при средней мощности излучения 180÷250 мВт и к.п.д. не менее 20%. Данный приемопередатчик АРЗ обеспечивает точное измерение наклонной дальности наземной РЛС до 200-300 км с погрешностью не хуже ±30 м, при малом уровне запросной мощности. Так импульсная мощность передатчика РЛС составляет 200 Вт, средняя - 0,1 Вт. Передача телеметрических сигналов АРЗ осуществляется на этой же частоте путем частотной модуляции суперирующих импульсов, т.е на одной несущей частоте осуществляется измерение всех координат АРЗ: угол места, азимут, дальность и осуществляется передача телеметрических сигналов метеорологических величин.