автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Антенно-приемные устройства ВЧ диапазона с ВТСП преселектором

003052253 гРавах рукописи

379.54

ТЕРЁХИН Олег Васильевич

АНТЕННО-ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ВЧ ДИАПАЗОНА С ВТСП ПРЕСЕЛЕКТОРОМ

Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ устройства и их

технологии»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003052253

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель. доктор технических наук, профессор Л.И.

Пономарев

Официальные оппоненты. доктор технических наук, профессор Г. Д.

Петрухин, МАИ

кандидат технический наук A.A. Гальченков, руководитель департамента системного проектирования и оптимизации ОАО «Вымпелком»

Ведущая организация: ФГУП НКТБ «Феррит», г.Воронеж

Защита состоится «» ОА 2007 года в 40 часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институте (государственном техническом университете) (125993, А-80, ГСП-3, г.Москва, Волоколамское ш., д 4)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (государственного технического университета)

Автореферат ра зослан » марта 2007г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.125 03, к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию эффективности применения высокодобротного перестраиваемого преселектора, выполненного с использованием высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов, для улучшения характеристик антенных и приемных устройств высокочастотного (ВЧ) диапазона радиоволн.

Актуальность темы диссертации.

В связи с постоянным ростом информационных потоков и усложнением сигнально-помеховой обстановки возникает необходимость в постоянном улучшении характеристик приемных систем связи. Особенно актуальна эта задача для приемных систем ВЧ диапазона, где уровень внешних помех может на порядки превышать уровень принимаемого сигнала. И хотя частота помехи может отличаться от частоты сигнала, однако из-за нелинейных эффектов во входных цепях приемника в полосе сигнала оказывается помеха, превышающая уровень сигнала. Известно, что одним из наиболее эффективным способом борьбы с такими помехами является узкополосная фильтрация на входе приемных устройств. Для наибольшего эффекта желательно, чтобы полоса фильтрации выбиралась равной полосе сигнала. В ВЧ диапазоне полосы принимаемого сигнала в профессиональных системах связи составляют от сотен герц до нескольких кГц. Разработка фильтра с такой полосой эквивалентна разработке резонансной системы с добротностью порядка 105 и выше. Кроме того, подобный фильтр должен обладать значительным диапазоном перестройки в несколько октав (примерно от 1 до 30МГц). Разработка подобных сверхузкополосных перестраиваемых фильтров на частоте принимаемого сигнала в ВЧ диапазоне до последнего времени была невозможна, поэтому в существующих профессиональных приемных системах ВЧ диапазона фильтры, стоящие на входе приемника, которые называются преселекторами, имеют полосы в несколько сотен кГц, т.е. на 3-4 порядка больше, чем полоса принимаемого сигнала.

В связи с появлением высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) появилась возможность разработки как излучающих систем с малыми потерями, так и резонансных систем с добротностями 104-10б. В основном эти работы касались СВЧ диапазона. Круг специалистов, работающих в этой области, достаточно широкий. В нашей стране - это Вендик О.Г., Вендик И.Б., Резник А.Н. и др. Однако в ВЧ диапазоне круг работ был весьма ограничен.

В последнее время появились работы, в которых говорится о разработке ВТСП резонансных систем в ВЧ диапазоне и фильтров на их основе (работы Jason R.Miller, Xu Н, Ма Q.Y и др.) Существенным недостатком этих фильтров являлось невозможность перестройки в достаточно широкой полосе частот. В 2001 году группой сотрудников МАИ и ИФМ РАН (под руководством проф. Пономарева Л.И.) был предложен, разработан и запатентован перестраиваемый в широкой полосе частот ВЧ диапазона узкополосный преселектор, состоящий из

резонансной системы с добротностью 105 и выше. Были проведены подробные исследования по характеристикам этого фильтра и преселектора, которые позволили приступить к практическому использованию ВТСП преселектора для совершенствования характеристик приемных систем ВЧ диапазона Однако существует широкий круг теоретических и практических вопросов, связанных с подробным изучением эффективности использования этих фильтров для улучшения характеристик приемных и антенных устройств ВЧ диапазона.

В связи с этим исследования по разработке основ теории ВТСП преселектора и анализу эффективности его применения для улучшения характеристик приемных устройств ВЧ диапазона является актуальным.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является исследование эффективности применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП фильтра (преселектора) в антеннах и приемных устройств ВЧ диапазона; разработка методики расчета и управление таким фильтром; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные задачи:

проведен анализ предельно достижимых параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов ВЧ диапазона;

развиты методы расчета и оптимизации параметров перестраиваемого ВТСП преселектора и исследованы возможности управления их параметрами и условия обеспечения согласования преселектора с входными и выходными цепями,

проанализировано влияние ВТСП преселектора в приемных устройствах ВЧ диапазона на улучшение таких характеристик радиоприемных устройств, как избирательность, чувствительность, динамический диапазона по интермодуляции 3-го порядка (ДДИ) и по блокированию (ДДБ);

разработана методика измерений параметров ВТСП преселектора и экспериментально исследованы эти параметры и эффективность применения ВТСП преселектора в радиоприемных устройствах ВЧ диапазона;

предложен метод настройки и перестройки электрически малых вибраторов с помощью управляемого ВТСП преселектора и разработан алгоритм моделирования характеристик системы: электрически малый вибратор + управляемый ВТСП преселектор;

проведено численное моделирование характеристик короткого вибратора с преселектором и установлены пределы уменьшения размеров вибраторных антенн в ВЧ диапазоне без существенного увеличения шумовых свойств приемного тракта.

Методы исследований основываются на обоснованном представлении ВТСП фильтра и преселектора с входными и выходными цепями в виде эквивалентных схем, составлении методом контурных токов системы линейных уравнений и решении их на комплексной плоскости с определением комплексных резонансных частот и других основных параметров преселектора; на использовании математического моделирования сложной приемной системы в виде совокупности отдельных устройств и использовании классических приемов анализа характеристик сложной системы по характеристикам отдельных устройств; на применении степенных рядов при анализе нелинейных эффектов в усилительных и преобразовательных цепях; на организации физического эксперимента и экспериментальной проверке основных теоретических результатов.

Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекгоров ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; разработке методов управления параметрами перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекгоров; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекгоров и характеристик радиотехнической системы в составе, электрически малый вибратор + ВТСП фильтр и преселектор + МШУ + приемник; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе радиоприемных систем и устройств.

Практическая значимость результатов работы состоит в развитии теории методов расчета и управления параметрами высокодобротных перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекгоров в ВЧ диапазоне и обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра и преселектора ВЧ диапазона в составе приемных систем, в т.ч. при работе с существующими приемными устройствами ВЧ диапазона и при использовании малогабаритных антенн. Практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения рада НИР и НИОКР, а также грантов Минобразования

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование. Основные результаты реализованы в ряде НИОКР («Разрежение-2», «Осман-Пр», «Круг-1МФП»).

Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по программам Минобразования РФ: Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Адаптивные приемные системы связи ВЧ диапазона со сверхпроводниковыми преселекторами» (шифр 406-01-02); Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Сверхузкополосные

перестраиваемые фильтры для радиотехнических систем связи» (шифр 406-0306); Фундаментальные научные исследования, выполняемые научно-педагогическим коллективом «Развитие теории и методов эффективного излучения, приема и обработки сложных кодированных сигналов» (шифр 1.41.03).

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований при разработке физических и математических моделей исследуемых устройств; логичным физическим представлением результатов математического моделирования; хорошим совпадением результатов теоретического анализа с результатами натурного эксперимента.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Методика и результаты расчета, моделирования и оптимизации основных характеристик ВТСП фильтра и преселектора, построенного на его основе.

2. Алгоритм и способ управления частотой настройки и полосой ВТСП преселектора.

3. Методика расчета параметров приемной системы в виде антенна + преселектор + МШУ + приемник по известным характеристикам отдельных устройств, входящих в систему.

4. Методика экспериментального определения ненагруженной добротности ВТСП преселектора.

5. Теоретическое и экспериментальное обоснование выигрыша в параметрах приемной системы при использовании ВТСП преселектора.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 27-29 окт 2000); IV Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, июнь 19-22, 2001); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 10-16 сент. 2001); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (Москва, 14-16 дек. 2001); 12-ой Международной крымской микроволновой конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, сент. 2002); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (Москва, 28 февраля-2марта 2003); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 7-13 сент. 2003); интернет-конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (дек. 2003); XII Военно-научной конференции «Развитие теории и практики строительства и применения

войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ» (Смоленск, военный университет войсковой ПВО ВС РФ, 22-23 апр. 2004); III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 6-12 сент. 2004); Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 20-25 сент. 2004); IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Н.Новгород, 3-9 окт. 2005); IV Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (Москва, 17-18 марта 2005); Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н., проф , лауреата гос. премии СССР, засл. деятеля науки и техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана (Москва, МАИ, 17-18 марта 2005); V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 11-17 сент. 2006); 1-ой Международной научной конференции «Глобальные информационные системы, проблемы и тенденции развития» (Туапсе, 3-6 окт. 2006).

Публикации.

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 27 печатных работ, из них 5 научных статей, 21 тезисов докладов и один патент РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 277 машинописных страницах, включая 36 страницы приложения, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Иллюстративный материал представлен в виде 117 рисунков и 13 таблиц. Список использованных источников включает 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки теории ВТСП преселектора, сформулирована цель и задача исследований, показаны научная новизна и практическая значимость работы, представлена структура диссертации.

В первой главе проведен анализ результатов, достигнутых в области разработки ВТСП резонансных структур (рисунок 1) и антенн, рассмотрены возможности применения этих ВТСП устройств для совершенствования характеристик существующих приемных систем.

В диссертации исследуется перестраиваемый ВТСП преселектор ВЧ диапазона с ненагруженной добротностью более 105, конструкция которого приведена на рисунке 2. Он состоит из двух ВТСП подложек (2), на поверхности которых, обращенных одна к другой, нанесены планарные катушки индуктивности (5) с емкостными площадками (3-4). Частота контура перестраивается за счет изменения расстояния меэвду подложками (1).

10* 10; 10' 10' 10:с

Резонансная частота, Гц

■ Тонкопленочная технология, азот О Тонкопленочная технология, гелий Д Толстопленочная технология

Рисунок 1 - Добротности, достигнутые в области ВТСП резонансных структур.

Для предотвращения потерь свячь с контуром осуществляется по магнитному полю петлями связи. Меняя местоположение петель, можно изменять коэффициент связи с контуром. Минимальное расстояние, на которое можно сдвинуть одиночные контуры, определяется точностью установки параллельности подложек и кривизной их поверхности.

Вторая глава посвящена рассмотрению основ теории ВТСП преселектора. Для этого предложена его эквивалентная схема с входными и выходными цепями, представленная на рисунке 3.

М12

О

М2з

О

-Ь

2,

I

X,

:НН

С2

Рисунок 3 - Эквивалентная схема включения ВТСП преселектора.

Для расчета этой схемы использовался метод контурных токов Основные соотношения, связывающие токи во входных ветвях, представлены выражением

(1)

где

И =

-тМ.

12

-тМ,

12

-ШМ.

23

-шМ2Ъ 2Ъ

- матрица сопротивлении контура,

= + = + ? _

соС.

2 /

О О

- столбец напряжений, [/]

- столбец токов.

Резонансная частота такой системы определялась из решения уравнения

ёй[2] = 0

(2)

на комплексной плоскости. Действительная часть комплексной резонансной частоты являлась частотой настройки, а мнимая часть - определяла потери в системе, или нагруженную добротность. Далее по токам были получены основные энергетические соотношения для преселектора:

- мощность, выделяемая в нагрузке

р =|/[2Д Е1(аМи)2(соМ13)2 В.н

2Х2г23 +(соМх2) 23 + (соМ23) 2,

- коэффициент передачи по напряжению

К _ = ~(Шп)(соМ23)2н

Ех 2Х2223 + (соМх 2 )2 23 + (соМ23 )2 2Х

- КПД системы

_ Р„ __(¿шЦ2)2({оМ2г)2Ян

V р

1 ИСТ

Яе | 2г2г + (соМ2Ъ )2 • 2х2г2ъ + {фМХ2 )2 2Ъ + (б)М2Ъ )2 2Х

Эти соотношения полностью решают задачи, связанные с преселектором Однако они требуют для своего расчета использование численных, довольно громоздких методов, т.к. связаны с решением уравнения (2) на комплексной плоскости.

При использовании высокодобротного ВТСП преселектора в качестве фильтра, включенного на входе приемного устройства с некоторым активным входным сопротивлением, возможно упрощение, что позволяет решить ряд оптимизационных, практически важных задач. К числу таких задач относятся оптимизация мощности, выделяемой в нагрузке, и максимизация коэффициента передачи по напряжению.

Эти задачи были решены. Они рассматривались в разной трактовке: считалась заданной входная связь, и по ней определялась оптимальная выходная; считалась заданной выходная связь, и по ней определялась оптимальная входная; выбирались оптимальными и входная, и выходная связи

Важнейшим параметром системы является нагруженная добротность ВТСП преселектора, которая определяет рабочую полосу частот. В общем случае добротность определяется соотношением

г

О = С0рЕЗ (ъ\

~н 9 гл" '

где 0)РЕЗ - (о'РЕЗ + ШрЕЗ - комплексная частота из решения (2)

Для настройки преселектора его рабочая полоса частот должна меняться в соответствии с полосой сигнала, поэтому рассматривалась задача, позволяющая определять при заданной нагруженной добротности (полосе частот) оптимальные параметры преселектора. Были получены соответствующие соотношения, результаты расчета по этим соотношениям представлены на рисунке 4(а-б).

0,5т-

тУод

'Гол

Рисунок 4(а-б) - Зависимость максимальной мощности, передаваемой в нагрузку, и КПД от заданного падения нагруженной добротности.

Кроме того, была установлена связь между нагруженной и ненагруженной добротностями и коэффициентом передачи при определенных оптимизационных условиях. Эти соотношения в зависимости от методики эксперимента использовались для нахождения ненагруженной добротности преселектора, т.к. иных прямых методов измерения столь высокой добротности нет.

Преселекгор, как и приемник, должен иметь определенные методы настройки на резонансную частоту, полосу частот, а также возможность подстройки. Основная резонансная частота преселектора определяется изменением расстояния между двумя ВТСП пластинами, образующими ВТСП преселекгор. Для управления рабочей полосой частот рассматривалась возможность управления нагруженной добротностью с помощью величин входной и выходной связей, при этом оказалось, что управление нагруженной добротностью почти не влияет на резонансную частоту системы. Соответствующие графики приведены на рисунке 5(а-б).

У

/

/ г'

V

1

г ,=Ц=10нГн ИООнГн

/ / ---1

> / ----1. =1_=1000нГн ----1_,=13=5000нГн

>

>

1 /

-с =Сэ=1пФ =С.=5пФ

---с

---- С,=0^1011*

1

1 ✓ 3

1

1 /

300 М иГн

Рисунок 5(а-б) - Зависимость полосы ВТСП преселектора от связи с внешнии

цепями (М=М12=М2з)

Все это позволяет независимо управлять и резонансной частотой, и полосой системы. При этом возможна небольшая подстройка частоты преселектора при помощи изменения внешних реактивных элементов.

В третьей главе приведен анализ характеристик отдельных блоков приемной системы преселектор + МШУ + приемник. Показано, что по своим избирательным свойствам ВТСП преселектор, представленный на рисунке 2, эквивалентен одиночному резонансному контуру. Проведенные расчеты выявили, что преселектор за счет своих высоких избирательных качеств существенно повышает избирательность всей системы в целом (рисунок 6). Кроме того, экспериментально был измерен динамический диапазон ВТСП преселектора по интермодуляции 3-го порядка, составивший более 90дБмкВ при отстройке

п-2 --•п=3

Рисунок 6 - Зависимость выигрыша в избирательности системы за счет применения на ее входе п-когаурного ВТСП преселектора от относительной

отстройки до помехи.

Проведенный аналитический обзор предельно достигнутых характеристик отдельных блоков приемной системы позволил определить предельно достижимые характеристики приемной системы. Наличие всех этих характеристик позволяет перейти к анализу соответствующих характеристик всей системы в целом.

Четвертая глава посвящена исследованию динамического диапазона (ДД) приемной системы преселектор + МШУ + приемник по нелинейным эффектам. В частности, рассмотривались динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка (ДДИ) и динамический диапазон по блокированию (ДДБ). Полученные соотношения (4-5) позволяют рассчитать соответственно ДДИ и ДДБ по известным соответствующим характеристикам отдельных устройств, входящих в систему.

В ходе исследований установлено, что: ДД в приемной системе определяется суммой минимального ДД устройства в системе и выигрыша за счет прироста ДД от фильтрующих

свойств преселектора (рисунок 7);

целесообразно улучшать ДД устройства с минимальным ДДИ в системе, при этом ДДИ всей системы существенно возрастает. Улучшение ДДИ остальных устройств с ДДИ, большим минимально возможного, мало влияет на ДДИ всего устройства;

при улучшении чувствительности системы выигрыш в ДДИ отсутствует, т.е. улучшение чувствительности системы целесообразно только с точки зрения обнаружения слабых сигналов и не влияет на ДДИ системы.

ГТ К] (/0) у] (А/) у, (2А/)

" [А'(/о+4Л«,=1)]э

"М/о)" ичМ)

~У

1=1

[Д'Бл(/о + А/)Т

ич,(Л)

-Уг

(4)

(5)

Рисунок 7 - Зависимость выигрыша в динамическом диапазоне по нелинейным эффектам за счет применения на входе системы п-контурного ВТСП преселектора от относительной отстройки до помехи.

Для проверки численных соотношений было проведено макетирование системы ВТСП преселектор+МШУ+приемник с использованием приемных устройств «Катран» и «Ольхон-Гелиос-215». Они с хорошей точностью подтвердили основные теоретические положения по увеличению ДДИ и ДДБ системы преселектор+МШУ+приемник по сравнению с приемником

Пятая глава посвящена анализу эффективности использования ВТСП преселектора в составе антенна + ВТСП преселектор. Исследования показали, что управляемый высокодобротный ВТСП преселектор можно с успехом использовать для настройки и перестройки электрически малых антенн (ЭМА). В ходе численного моделирования на основе соотношений, полученных во второй главе, установлены количественные соотношения между ненагруженной добротностью ВТСП преселектора, размером ЭМА, КПД входной цепи, состоящей из антенны и ВТСП преселектора, рабочей полосой частот и диапазоном перестройки (рисунок 8). Использование этих соотношений позволило при заданных размерах ЭМА (вибратора) определить параметры преселектора, обеспечивающие требуемые характеристики антенны.

1

2 1Е-4 1Е-5 1Е-6 1Е-7

_____

—Ч; V Дел

— ВТСП вибратор, 1м

I —

10' 10' 10' 1С' 10е

Ненагруженная добротность ВТСП преселектора

:

Ж

-

I , / '

. г'

Входная связь сильная (М13=4 бмкГн) -ас=2*1о' — а^гчо1 • • • ос«г*10'

✓

0 01 0 02 ООЭ ОСИ 0 05 0 0(3 0 07 0 08

Относительная длина плеча ВТСП вибратора 1о//, м

Рисунок 8 - Зависимость КПД входной цепи (ЭМА+преселекгор) от параметров

ВТСП преселектора.

Полученные в данной главе результаты позволили установить возможность использования ВТСП преселектора для настройки ЭМА. В этом случае он выполняет роль не только согласующей цепи между антенной и приемным устройством, но и функции высокодобротного, перестраиваемого по частоте фильтра.

Заключение:

Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования эффективности применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП преселектора с целью улучшения характеристик антенных и приемных устройств ВЧ диапазона позволили установить:

1. К настоящему моменту разработан ряд перестраиваемых в широкой полосе частот ВТСП фильтров с характеристиками, недостижимыми при использовании нормальных проводников. Эти фильтры могут быть использованы в качестве преселектора для повышения эффективности приемных устройств ВЧ диапазона, а также в качестве согласующего и настраивающего устройства при использовании в ЭМА ВЧ диапазона.

2. Развитые в диссертации основы теории ВТСП преселектора позволяют рассчитывать, проектировать и оптимизировать преселектор с наперед заданными характеристиками и обоснованно осуществлять измерение его характеристик.

3. Для приемной системы в виде преселектор+МШУ+приемник получены

соотношения, позволяющие рассчитать ее избирательность, чувствительность и динамический диапазон по нелинейным эффектам в зависимости от соответствующих характеристик отдельных устройств.

4. Установлено, что использование ВТСП преселектора позволяет существенно расширить динамический диапазон системы преселектор+МШУ+приемник по нелинейным эффектам.

5. Разработанная теория ВТСП фильтра позволила определить необходимые параметры фильтра при его использовании для настройки и согласовании ЭМА, а также рассчитать энергетическую и частотную эффективность работы системы ЭМА+ВТСП преселектор.

6. Найдены предельные зависимости КПД вибратора, его полосы частот от относительной длины вибратора и ненагруженной добротности преселектора, доказывающие возможность использования ВТСП преселектора для настройки и перестройки ЭМА.

7. Основные теоретические результаты по высокой эффективности применения перестраиваемого ВТСП преселектора в приемной системе преселектор+МШУ+приемник подтверждены экспериментально на макете перестраиваемого ВТСП преселектора, установленного на входе профессиональных приемников ВЧ диапазона типа «Катран» и «Ольхон-Гелиос-215».

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволили теоретически и экспериментально обосновать эффективность применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП преселектора с целью улучшения характеристик антенных и приемных устройств ВЧ диапазона как серийно выпускаемых радиоприемников типа «Катран», так и для разрабатываемых приемных устройств нового поколения, а также возможность использования такого преселектора для настройки и перестройки ЭМА.

Публикации по теме диссертации:

1. Ганицев А.Ю., Пономарев Л.И., Попов В.В., Терёхин О.В. Эффективность применения высокодобротных фильтров с высокотемпературной сверхпроводимостью в качестве преселекторов радиоприемных устройств // Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия», Тезисы докладов, Москва, 27-29 окт. 2000.

2. Пономарев Л.И., Павлов A.C., Парафин А.Е., Паршиков В.В., Жуков A.C., Терёхин О.В. Перестраиваемые высокодобротные фильтры высокочастотного диапазона волн // IV Международный симпозиум по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии, Тезисы докладов, Санкт-Петербург, июнь 19-22, 2001.

3 Пономарев Л.И., Жуков A.C., Терёхин О.В. Параметры ВТСП полосового фильтра ВЧ диапазона при включении в радиотракт // Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 10-16 сент. 2001, с. 168.

4. Пономарев Л.И., Жуков A.C., Терехнн О.В. Анализ эффективности использования высокодобротных преселекторов, выполненных на основе ВТСП материалов, во входных цепях радиоприемных устройств ВЧ диапазона // Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 1016 сент. 2001, с.125

5. Пономарев Л.И , Алексеенко М.Г., Ганицев А.Ю., Жуков A.C., Терёхин О.В. Перспективы использования высокодобротных перестраиваемых ВТСП-фильтров в радиоприемных устройствах ВЧ диапазона // Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 10-16 сент. 2001, с. 150-155.

6. Жуков A.C., Пономарев Л.И., Попов В.В., Терёхин О.В. Возможность управления нагруженной добротностью узкополосного перестраиваемого по частоте преселектора ВЧ диапазона // Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь - перспективные технологии», Тезисы докладов, Москва, 14-16 дек. 2001, с.53-54.

7. Жуков A.C., Пономарев Л.И., Попов В.В , Терёхин О.В. Перестраиваемый высокодобротный фильтр ВЧ диапазона на основе ВТСП структур // Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь -перспективные технологии», Тезисы докладов, Москва, 14-16 дек. 2001, с.51-52.

8. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Жуков A.C., Павлов С.А., Парафин А.Е., Вопилкин Е.А., Терёхин О.В. Расчет резонансной частоты перестраиваемых резонансных ВТСП фильтров с сосредоточенными параметрами // 12-я Международная крымская микроволновая конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Тезисы докладов, Севастополь, сент. 2002, с.449-450.

9. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Жуков A.C., Павлов С.А., Парафин А.Е., Вопилкин Е. А., Терёхин О.В. Частотная зависимость добротности высокодобротного перестраиваемого ВТСП колебательного контура // 12-я Международная крымская микроволновая конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Тезисы докладов, Севастополь, сент.

2002, с.441-442.

10. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Жуков A.C., Терёхин О.В., Столяров A.A. Оптимизация параметров сверхузкополосного преселектора ВЧ диапазона // Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь -перспективные технологии», Тезисы докладов, Москва, 28 февраля-2марта

2003, с.45-49.

11. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Жуков A.C., Терёхин О.В. Возможности приемных устройств КВ диапазона при использовании на их входе высокодобротного перестраиваемого преселектора // II Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 7-13 сент. 2003, с.26-27.

12 Пономарев Л.И, Паршиков В.В , Жуков A.C., Терёхин О.В. Оптимизация параметров включения в радиотракт узкополосного преселектора ВЧ

диапазона // И Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 713 сент. 2003, с. 173.

13. Пономарев Л.И., Жуков A.C., Терёхин О.В.. Соловьев Г.В., Прокопьев Т.В., Плесков В.В. Анализ возможности реализации ВТСП фильтров ВЧ диапазона и исследование их характеристик // Интернет-конференция «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», дек. 2003

14. Пономарев Л.И., Терёхин О.В. Повышение помехозащищенности радиотехнических систем с помощью высокодобротных перестраиваемых преселекторов // XII Военно-научная конференция «Развитие теории и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ», Тезисы докладов, Смоленск, военный университет войсковой ПВО ВС РФ, 22-23 апр. 2004.

15. Терёхин О.В. Способы снижение шумов РТС // XII Военно-научная конференция «Развитие теории и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ», Тезисы докладов, Смоленск, военный университет войсковой ПВО ВС РФ, 22-23 апр. 2004.

16. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Улучшение характеристик приемных устройств при применении на входе высокодобротного перестраиваемого преселектора // III Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Волгоград, 6-12 сент. 2004, с.233-234.

17. Пономарев Л.И., Паршиков В В., Терёхин О.В. Перестраиваемые сверхузкополосные ВТСП резонаторы и фильтры и перспективы их применения в радиотехнике // III Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Волгоград, 6-12 сент. 2004, с. 19-27.

18. Пономарев Л.И, Паршиков В.В., Терехин О.В. Сверхузкополосные перестраиваемые фильтры для радиотехнических систем связи // Всероссийская конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии», Тезисы докладов, Сочи, 20-25 сент 2004, с. 127-129.

19. Терёхин О.В. Совершенствование характеристик приемных устройств при использовании сверхузкополосных перестраиваемых преселекторов // Всероссийская конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии», Тезисы докладов, Сочи, 20-25 сент. 2004, с. 141.

20. Пономарев Л.И., Терёхин О.В Применение высокодобротного преселектора для улучшения характеристик приемных устройств // IV Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Н.Новгород, 3-9 окт. 2005, с. 121.

21. Терехин О.В. Возможность управления нагруженной добротностью узкополосного перестраиваемого по частоте преселектора ВЧ диапазона // IV Молодежная научно-техническая конференция «Радиолокация и связь -перспективные технологии», Тезисы докладов, Москва, 17-18 марта 2005, с 32-33.

22. Терёхин О В Эффективность использования ВТСП преселекторов в радиотехнических системах // Научно-техническая конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященная 100-летию со дня рождения д.т.н., проф., лауреата гос. премии СССР, засл. деятеля науки и техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана, Тезисы докладов, Москва, 17-18 марта 2005, с.24-25.

23. Паршиков В.В., Пономарев Л.И, Прокопьев Т.В., Терёхин О.В. Устройство для автоматической настройки высокодобротного контура высокочастотного диапазона радиоприемника, Патент 53502, заявка №2005125960. Приоритет от 16.08 2005г.

24. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Основы теории перестраиваемого фильтра, разработанного с использованием высокотемпературных сверхпроводящих проводников // Сборник статей "Антенны", № 12(103), 2005, с.4-10.

25. Пономарев ЛИ., Терёхин О.В. Применение ВТСП преселектора для улучшения характеристик приемных устройств // Сборник статей "Антенны", №09(112), 2006.

26. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Характеристики приемных систем в составе ВТСП преселектора, МШУ и приемника // V Международная научно-техническая конференция «Физика и технические приложения волновых процессов», Тезисы докладов, Самара, 11-17 сент. 2006.

27. Пономарев Л.И., Скородумов А.И., Терехин О.В. Достижение в области ВТСП преселекторов и фильтров и эффективность их применения в системах связи // 1-я Международная научная конференция «Глобальные информационные системы, проблемы и тенденции развития», Тезисы докладов, Туапсе, 3-6 окт. 2006.

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1 Успехи, достигнутые в области разработки ВТСП фильтров, преселекторов и антенн, и возможности их применения для совершенствования характеристик приемных систем ВЧ диапазона

1.1 ВТСП фильтры и преселекторы.

1.2 Антенные устройства.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Основы теории ВТСП преселектора

2.1 Вывод основных соотношений.

2.2 Оптимизация параметров преселектора.

2.2.1 Максимизация мощности, выделяемой в нагрузке

2.2.2 Максимизация коэффициента передачи по напряжению

2.3 Управление параметрами преселектора.

2.3.1 Добротность преселектора

2.3.2 Резонансная частота преселектора

2.3.2.1 Параметры входного и выходного контуров одинаковы

2.3.2.2 Реактивность во внешних цепях отсутствует

2.3.2.3 Входные и выходные параметры ВТСП контура произвольные

Выводы по главе 2.

Глава 3 Анализ избирательности, чувствительности и шумовых свойств приемной системы: Преселектор + Малошумящий усилитель + Приемник

3.1 Основные характеристики отдельных блоков, входящих в приемную систему.

3.1.1 Характеристики преселектора

Избирательность преселектора

Динамический диапазон преселектора по нелинейным эффектам

3.1.2 Характеристики малошумящих усилителей

3.1.3 Характеристики приемников

3.2 Связь характеристик отдельных блоков приемной системы с характеристиками приемной системы.

3.2.1 Избирательность приемной части приемной системы

3.2.2 Чувствительность и шумовые свойства приемной системы

3.3 Анализ уровня внешних шумов.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Динамический диапазон системы ПРЕС+МШУ+Приемник

4.1 Вывод основных теоретических соотношений.

4.1.1 Динамический диапазон системы по интермодуляции 3-го порядка.

4.1.2 Динамический диапазон системы по блокированию

4.2 Анализ зависимости динамического диапазона системы от параметров входящих в систему устройств.

4.2.1 Влияние шумовых свойств устройств на динамический диапазон системы.

4.2.2 Влияние динамического диапазона преселектора и МШУ на динамический диапазон системы по интермодуляции 3-го порядка

4.2.2.1 Динамический диапазон преселектора

4.2.2.2 Динамический диапазон по интермодуляции 3-го порядка МШУ и приемника

4.3 Анализ динамического диапазона системы по интермодуляции 3-го порядка.

4.4 Сравнение результатов численного моделирования и экспериментально измеренных данных по ДДИ системы.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Анализ эффективности использования ВТСП преселектора в системе антенна+ПРЕС

5.1 Анализ шумовых свойств некоторых типов антенно-фидерных устройств, используемых в ВЧ диапазоне.

5.2 Исследование характеристик короткого вибратора, нагруженного на согласующий ВТСП контур.

Выводы по главе 5.

Диссертация посвящена исследованию параметров и характеристик перестраиваемого высокодобротного фильтра ВЧ диапазона, построенного на основе высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) материалов, включая анализ возможности управления параметрами этого фильтра, а также исследованию влияния характеристик ВТСП фильтра на параметры приемных систем ВЧ диапазона. В качестве основной области применения таких фильтров рассматривается узкополосная преселекция на входе высокочастотных (ВЧ) радиоприемных устройств (РПУ) с целью существенного улучшении их характеристик, а также возможности повышения эффективности электрически малых антенн (ЭМА), нагруженных на ВТСП преселектор.

Актуальность проблемы.

По мере резкого увеличения информационных потоков необходимо постоянно решать проблему улучшения основных параметров систем связи: дальность, число каналов и помехозащищенность. Необходимо учитывать, что с 1980г. происходит удвоение количества информации происходит ежегодно [1]. Особо актуальны в современных системах связи вопросы увеличения избирательности и создания приемных трактов с максимально низкой шумовой температурой. Параметры традиционных фильтров достигли своего предела и не позволяют увеличить число каналов и обеспечить защиту от интерференционных помех. Качественный скачок при разумной стоимости обеспечивается созданием устройств на основе ВТСП материалов [2].

По оценкам специалистов, только использование пассивных ВТСП устройств позволяет снизить шумовую температуру на два порядка, на порядок сузить рабочие полосы, в десятки раз снизить мощность передатчиков систем связи. Например, по данным фирмы Superconductor Technologies, простая замена фильтра на диэлектрических резонаторах на ВТСП-фильтр дает расширение радиуса ячейки сотовой системы связи при полосе пропускания 5 МГц до 15,4% или увеличение площади на 33,2% при лучших шумовых характеристиках, а для полосы пропускания 15 МГц — увеличение до 24,5% площади. По данным [3] при использовании в изделиях СВЧ-электроники ВТСП-материалов можно обеспечить:

• повышение на 15-20% КПД всех энергоемких приборов за счет исключения омических потерь;

• повышение быстродействия управляющих устройств до 10"11 с;

• увеличение чувствительности приемных устройств;

• повышение стабильности генераторов частоты до 1СГ9-1СГ10.

Увеличивающееся число публикаций по этой тематике, например [4, 5, б, 7], показывает, что экспоненциальная шкала прогресса в реализации устройств будет продолжаться еще много лет, прежде чем достигнет своего фундаментального предела как в использовании свойств материала, так и в области проектирования.

Важно отметить, что работ, посвященных исследованию хаарктеристик ВТСП фильтров и резонаторов в ВЧ диапазоне, мало. Одной из причин является большой динамический диапазон помех в этой области, а также необходимость приема сложных сигналов, полоса которых во многих случаях составляет несколько десятков герц.

К настоящему времени преимущества ВТСП-технологии продемонстрированы на многих устройствах вплоть до элементов антенно-фидерного тракта. Это позволяет приступить к созданию функциональных блоков, содержащих в едином охлаждаемом корпусе несколько соединенных между собой модулей как с ВТСП-элементами, так и полупроводниковыми приборами. Создание таких блоков позволит получить существенный энергетический выигрыш и уменьшить габаритные размеры, а, кроме того, должно привести к серьезным изменениям в архитектуре систем. Сегодня совершенно ясно, что качественные изменения в техническом уровне аппаратуры приема и обработки информации становятся возможными только на основе широкого комплексирования элементов ВТСП, полупроводниковых приборов и нового подхода к системной идеологии создаваемых средств связи.

Для анализа эффективности использования перестраиваемого ВТСП фильтра в антенных и приемных устройствах ВЧ диапазона необходима разработка теории, метода расчета и моделирование основных характеристик ВТСП фильтра и преселектора, построенного на его основе, обоснование методики измерений параметров этих устройств, а также разработка алгоритмов, позволяющих определить эффективность применения ВТСП фильтра и преселектора в антенно-приемных устройствах ВЧ диапазона.

Цель работы.

Целью данной работы является исследование эффективности применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП фильтра (преселектора) в антеннах и приемных устройств ВЧ диапазона; разработка методики расчета и управление таким фильтром; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие основные Задачи:

- проведен анализ предельно достижимых параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов ВЧ диапазона;

- развиты методы расчета и оптимизации параметров перестраиваемого ВТСП преселектора и исследованы возможности управления их параметрами и условия обеспечения согласования преселектора с входными и выходными цепями;

- проанализировано влияние ВТСП преселектора в приемных устройствах ВЧ диапазона на улучшение таких характеристик радиоприемных устройств, как избирательность, чувствительность, динамический диапазона по интермодуляции 3-го порядка (ДДИ) и по блокированию (ДДБ);

- разработана методика измерений параметров ВТСП преселектора и экспериментально исследованы эти параметры и эффективность применения ВТСП преселектора в радиоприемных устройствах ВЧ диапазона;

- предложен метод настройки и перестройки электрически малых вибраторов с помощью управляемого ВТСП преселектора и разработан алгоритм моделирования характеристик системы: электрически малый вибратор + управляемый ВТСП преселектор;

- проведено численное моделирование характеристик короткого вибратора с преселектором и установлены пределы уменьшения размеров вибраторных антенн в ВЧ диапазоне без существенного увеличения шумовых свойств приемного тракта.

Методы исследований основываются . на обоснованном представлении ВТСП фильтра и преселектора с входными и выходными цепями в виде эквивалентных схем, составлении методом контурных токов системы линейных уравнений и решении их на комплексной плоскости с определением комплексных резонансных частот и других основных параметров преселектора; на использовании математического моделирования сложной приемной системы в виде совокупности отдельных устройств и использовании классических приемов анализа характеристик сложной системы по характеристикам отдельных устройств; на применении степенных рядов при анализе нелинейных эффектов в усилительных и преобразовательных цепях; на организации физического эксперимента и экспериментальной проверке основных теоретических результатов.

Научная новизна.

Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; разработке методов управления параметрами перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров и преселекторов и характеристик радиотехнической системы в составе: электрически малый вибратор + ВТСП фильтр и преселектор + МШУ + приемник; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе радиоприемных систем и устройств.

Практическая значимость результатов работы состоит в развитии теории методов расчета и управления параметрами высокодобротных перестраиваемых ВТСП фильтров и 'преселекторов в ВЧ диапазоне и обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра и преселектора ВЧ диапазона в составе приемных систем, в т.ч. при работе с существующими приемными устройствами ВЧ диапазона и при использовании малогабаритных антенн. Практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения ряда НИР и НИОКР, а также грантов Минобразования.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертационной работы внедрены и нашли практическое использование. Основные результаты реализованы в ряде НИОКР («Разрежение-2», «Осман-Пр», «Круг-1МФП»).

Научные и практические результаты работы использованы в процессе выполнения работ по программам Минобразования РФ: Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Адаптивные приемные системы связи ВЧ диапазона со сверхпроводниковыми преселекторами» (шифр 406-01-02); Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники «Сверхузкополосные перестраиваемые фильтры для радиотехнических систем связи» (шифр 406-03-06); Фундаментальные научные исследования, выполняемые научно-педагогическим коллективом «Развитие теории и методов эффективного излучения, приема и обработки сложных кодированных сигналов» (шифр 1.41.03).

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований при разработке физических и математических моделей исследуемых устройств; логичным физическим представлением результатов математического моделирования; хорошим совпадением результатов теоретического анализа с результатами натурного эксперимента.

Апробация результатов работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительные отзывы на Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия» (Москва, 27-29 окт. 2000); IV Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии (Санкт-Петербург, июнь 19-22, 2001); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 10-16 сент. 2001); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь - перспективные технологии» (Москва, 14-16 дек. 2001); 12-ой Международной крымской микроволновой конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Севастополь, сент. 2002); Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (Москва, 28 февраля-2марта 2003); II Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 7-13 сент. 2003); интернет-конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (дек. 2003); XII Военно-научной конференции «Развитие теории и практики строительства и применения войсковой ПВО в системе вооруженной борьбы ВС РФ» (Смоленск, военный университет войсковой ПВО ВС РФ, 22-23 апр. 2004); III Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Волгоград, 6-12 сент. 2004); Всероссийской конференции «Информационно-телекоммуникационные технологии» (Сочи, 20-25 сент. 2004); IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Н.Новгород, 3-9 окт. 2005); IV Молодежной научно-технической конференции «Радиолокация и связь -перспективные технологии» (Москва, 17-18 марта 2005); Научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященной 100-летию со дня рождения д.т.н., проф., лауреата гос. премии СССР, засл. деятеля науки и техники РСФСР Михаила Самойловича Неймана (Москва, МАИ, 17-18 марта 2005); V Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 11-17 сент. 2006); 1-ой Международной научной конференции «Глобальные информационные системы, проблемы и тенденции развития» (Туапсе, З-б окт. 2006).

Публикации.

По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликовано 27 печатных работ, из них 5 научных статей, 21 тезисов докладов и один патент РФ.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Методика и результаты расчета, моделирования и оптимизации основных характеристик ВТСП фильтра и преселектора, построенного на его основе.

2. Алгоритм и способ управления частотой настройки и полосой ВТСП преселектора.

3. Методика расчета параметров приемной системы в виде антенна + преселектор + МШУ + приемник по известным характеристикам отдельных устройств, входящих в систему.

4. Методика экспериментального определения ненагруженной добротности ВТСП преселектора.

5. Теоретическое и экспериментальное обоснование выигрыша в параметрах приемной системы при использовании ВТСП преселектора.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа изложена на 277 машинописных страницах, включая 36 страницы приложения, и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Иллюстративный материал представлен в виде 117 рисунков и 13 таблиц. Список использованных источников включает 144 наименование.

Выводы по главе 5

Исследования, проведенные в настоящей главе, показали, что управляемый высокодобротный ВТСП преселектор можно с успехом использовать для настройки и перестройки электрически малых антенн.

Установлены количественные соотношения между ненагруженной добротностью ВТСП преселектора, размером ЭМА, КПД входной цепи, состоящей из антенны и ВТСП преселектора, рабочей полосой частот и диапазоном перестройки. Эти соотношения позволяют при заданной длине ЭМА (вибратора) определять параметры преселектора (его частоту настройки, ненагруженную добротность и коэффициент связи входной и выходной цепей), обеспечивающие требуемые характеристики антенны.

Установлена возможность повышения КПД ЭМА при использовании в качестве согласующего и настраивающего устройства ВТСП преселектор.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные в диссертации теоретические и экспериментальные исследования эффективности применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП преселектора с целью улучшения характеристик антенных и приемных устройств ВЧ диапазона позволили установить:

1. К настоящему моменту разработан ряд перестраиваемых в широкой полосе частот ВТСП фильтров с характеристиками, недостижимыми при использовании нормальных проводников. Эти фильтры могут быть использованы в качестве преселектора для повышения эффективности приемных устройств ВЧ диапазона, а также в качестве согласующего и настраивающего устройства при использовании в ЭМА ВЧ диапазона.

2. В работе развиты основы теории ВТСП преселектора, позволяющие:

- во-первых, рассчитывать основные характеристики преселектора по известным номиналам схемы (частоту настройки, рабочую полосу частот, КПД, уровень мощности, поступающий в нагрузку, ДДИ и пр.); во-вторых, оптимизировать эти характеристики при определенных заданных условиях, например, при заданной полосе, и определить входные и выходные параметры (нагрузки и связи), обеспечивающие реализацию оптимальных характеристик/

- в-третьих, определить алгоритм и способ управления частотой настройки и полосой преселектора; в-четвертых, разработать методику определения ненагруженной добротности преселектора по измеренной его нагруженной добротности.

В совокупности развитые в диссертации основы теории ВТСП преселектора позволяют рассчитывать, проектировать и оптимизировать преселектор с наперед заданными характеристиками и обоснованно осуществлять измерение его характеристик.

3. Для приемной системы в виде ПРЕС+МШУ+ПРМ получены соотношения, позволяющие рассчитать избирательность, чувствительность и шумовые свойства приемной антенны в зависимости от соответствующих характеристик отдельных устройств, входящих в систему. Установлено, что использование ВТСП преселектора совместно с МШУ позволяет существенно повысить как избирательность, так и чувствительность приемной антенны по сравнению с избирательностью и чувствительностью используемых приемных устройств.

4. На основе анализа уровня внешних шумов установлено, что чувствительность существующих приемных устройств ВЧ диапазона при использовании ВТСП преселектора и МШУ вплотную приблизилась к уровню внешних шумов.

5. Установлено, что использование ВТСП преселектора позволяет существенно расширить динамический диапазон системы ПРЕС+МШУ+ПРМ по нелинейным эффектам. Полученные в работе соотношения для ДДИ и ДДБ приемной системы позволяют рассчитать эти характеристики по известным характеристикам отдельных устройств, входящих в систему.

Показано, что ДДИ (ДДБ) системы определяется суммой минимального ДДИ (ДДБ) устройства в системе и фильтрующих свойств преселектора. Поэтому для повышения ДДИ (ДДБ) системы необходимо увеличивать минимальный ДДИ (ДДБ) устройства, входящего в систему, и улучшать фильтрующие свойства преселектора.

6. Разработанная теория ВТСП фильтра позволила определить необходимые параметры фильтра (ненагруженную добротность, частоту настройки и величину входной и выходной связей) при его использовании для настройки и согласовании ЭМА, а также рассчитать энергетическую и частотную эффективность работы системы ЭМА+ВТСП преселектор.

7. Найдены предельные зависимости КПД вибратора, его полосы частот от относительной длины вибратора и ненагруженной добротности преселектора, доказывающие возможность использования ВТСП преселектора для настройки и перестройки ЭМА.

8. Основные теоретические результаты по высокой эффективности применения перестраиваемого ВТСП фильтра в приемной системе ПРЕС+МШУ+ПРМ подтверждены экспериментально на макете перестраиваемого ВТСП фильтра, установленного на входе профессиональных приемников ВЧ диапазона типа «Катран» и «Ольхон-Гелиос-215». Показано, что использование преселектора, состоящего из n-контуров, на входе приемника дает выигрыш в избирательности, ДДИ и ДДБ 20-и дБ на декаду от частоты настройки.

Таким образом, полученные в диссертации результаты позволили теоретически и экспериментально обосновать эффективность применения высокодобротного перестраиваемого ВТСП преселектора с целью улучшения характеристик антенных и приемных устройств ВЧ диапазона как серийно выпускаемых радиоприемников типа «Катран» Р-399А, так и для разрабатываемых приемных устройств нового поколения, а также возможность использования такого преселектора для настройки и перестройки ЭМА.

Результаты диссертационной работы использованы при выполнении НИОКР «Разрежение-2», «Осман-Пр» и «Круг-1МФП».

1. Черноплеков Н.А. «Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения» // http://vivovoco.nns.ru/VV/JOURNAL/VRAN/ SUC0/SUC0.HTM, 2005г.

2. Кабанов И.Н., Мухин П.В., Щербаков С.В., «Проблемы и состояние развития изделий СВЧ-электроники на основе ВТСП-материалов» // http://www4.mte.ru, 2005г.

3. Mansour R.R. Microwave superconductivity //IEEE Trans, on MTT. 2002- Vol.50.-No.3.-P.750-759.

4. Патент европейской патентной организации на сверхпроводящий фильтр ЕР1187249.12 http://nts.nm.ru/text/vtspl.htm, 2005г.

5. Jedamzik D., Menolascino R., Pizarroso M., Salas В. Evaluation of HTS Sub-Systems for Cellular Basestations // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2. P. 4022-4025.

6. Ueno Y., Sakakibara N., Yamada T. Hight-Temperature Superconducting Receiving filter subsysem for Mobile Telecommunication Base Station, IEICE TRANS. ELECTRON., Vol. E82-C. No. 7, JULY, 1999.

7. И.А. Архаров, В.Ю. Емельянов // Мобильные системы от 26.10.2005 или http://www.w3.org/TR/html4/loose.dtd от 26.12.2005.

8. Alex I. Braginski. Superconducting Electronics Coming to Market // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1999. Vol. 9. № 2. P. 2825-2835.

9. Перспективы внедрения систем мобильной связи третьего поколения в России. Национальная ассоциация операторов сетей связи третьего поколения 3G. ИТЦ «Мобильные телекоммуникации», 2001.

10. F. R. Arams, J. Fradkin, D. Kornfeld, E.W. Sard, K. Siegel Superconducting Ultrahigh Q Tunable RF Preselector, IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1967, vol.9, no.3, pp. 110-123.

11. R.L. Kautz "J. Res. NBS", 1979, vol.84, p. 247.

12. W.E. Lawrence, S. Doniach International Conference on Low Temperature Physics, ed. E. Keigaki, Kanda, Tokyo, 1971, p.p. 361.

13. Ф.Ф. Менде, И.Н. Бондаренко, А.В. Трубицин Сверхпроводящие и охлаждаемые резонансные системы, 1976, Киев, "Наукова думка".

14. И.А. Баранов, З.Ф. Каплун Сверхпроводящие резонаторы, Электронная техника, Электроника СВЧ, 1971, №4 .

15. К. К. Лихарев Известия высших учебных заведений. Радиофизика, 1971, том 14, вып. 7-8, стр. 1232.

16. Amr Abdelmonem, Benjamin Golant, "Cryo-cooled front-end system with multiple outputs», Патент США US2002/0151331 Al, Oct. 17, 2002.

17. Timothy W. James, Lincoln C. Bourne, «Superconducting control elements for RF antennas», Патент США US2002/0135373 Al, Sep. 26, 2002.

18. Edward R.S., Kurt F.R., «Dual 5 MHz PCS Receiver Front End», 2001 IEEE MTT-S.31 www.suptech.com, раздел фильтры

19. Высокотемпературные Сверхпроводники в Телекоммуникациях, http://www.suptech.com/techlibrary.html, 2006г.

20. Narrow-Band 2GHz Superconducting Filter, IEICE TRANS. ELECTRON., VOL. E82-C. NO. 7 JULY 1999, 1177-1181.

21. Gregory L. Hey-Shipton. Efficient Computer Design of Compact Planar Band-Pass Filters Using Electrically Short Multiple Coupled Lines // 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TH2D-2. 1999.

22. Hong J. S., Lancaster M. J., Jedamzik D., Greed R. B. 8-Pole Superconducting Quasi — Elliptic Function Filter for Mobile Communications Application // 199S IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4F.-2. 1998.

23. Tsuzuki G., Suzuki M., Sakakibara N., Ueno Y. Novel Superconducting Ring Filter // 1998 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4E-5. 1998.

24. Reppel M., Chaloupka H. Novel Approach for Narrowband Superconducting Filters // 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TH2D-6. 1999.

25. Active tuning of high frequency resonators and filters, Hui Xu, Erzhen Gao, Q.Y.Ma, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001, vol.11, no.l, pp. 353-356.

26. Карманенко С. Ф., Семенов А. А. СВЧ полосовой фильтр на основе пленочной структуры сверхпроводник/феррит (YBCO/YIG). — Письма в ЖТФ, 2000, том 26, вып. 3, 12-17.

27. Vendik I. , Vendik 0., Pleskachev V. , Svishchev A. Design of Tunable Ferroelectrics Filters with a Constant Fractional Band With, Wordenweber, 0-7803-6540-2/01/ 2001/ IEEE.

28. Peik S. F., Jollcy В., Mansour R. E. High-Temperature Superconductive Butler Matrix Beamfonner for Satellite Applications // 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TH2D-1. 1999 IEEE.

29. Zhu M. H.,. Cao B. S, Zhang X. X., Li W. H., Wang Y. J., Yuan H. J., Zhang L. W., Dong D. J., Liu M. L., Cui D. F., He M., Zhou Y. L., Liu T. J. Design and Performance of a 4.5 GHz Circularly

30. Polarized YBa2Cu307 Microstrip Antenna // Physica С 282-287 (1997). P. 2515-2516.

31. Oates D. E., Dionne G. F. Tunable Superconducting Resonators Using Ferrite Substrates // 1997 IEEE MTT-S International Microwave Symposium. Report TU4C-3. 1997.

32. Findikoglu А. Т., Jia Q. X., Reagor D. W. Superconductor/ Nonlinear-Dielectric Bilayaers for Tunable and Adaptive Microwave Devices // IEEE Transactions on Appl. Supercond. June 1997. Vol. 7. № 2. P. 2925-2928.

33. Mohan V. Jacoba, Janina Mazierskaa, Seiichi Takeuchib // Miniaturized Superconducting Filter for Mobile Communications, IEEE, 2003.

34. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств; Учеб. Пособие для вузов/ Н. Н. Буга, В. Я. Конторович, В.И. Носов; Под. ред. Н. Н. Буги. М.: Радио и связь, 1993.

35. Бобров Д.Ю., Доброжанский А.П., Зайцев Г.В., Маликов Ю.В., Цыпин И. Б., «Цифровая обработка сигналов в MPJIC. Ч. 1,2,3. Цифровая обработка сигналов», 2001, №4; 2002, №1,2.

36. Бобров Д.Ю., Доброжанский А.П., Зайцев Г.В., Цыпин И.Б. «Цифровая обработка сигналов в современных MPJIC», Труды международной конференции «Новые технологии в радиоэлектронике и системах управления», том 2, Н.Новгород, апрель 2002г.

37. R.S. Withers et al. Thin-Film Probe Coils for Magnetic-Resonance Imaging. //IEEE Trans, on Appl.Supercond. vol.3, №1, p.2450, 1993 (Conductus).

38. Desing and Implementation of A Lumped-Element Multipole UTS Filter at 15 MHz, Hui Xu, Erzhen Gao, Shapur Sahba, Jason R.Miller, Q.Y.Ma, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2001, vol.9, no.2, pp. 3866-3868.

39. Erzhen Gao et al. A Suprconducting RF Resonator in HF Range and its Multi-pole Filter Applications. //IEEE Trans. on Appl.Supercond., vol.9, №2, p.3066, 1999 (Columbia University).

40. Xu H., Gao E., Ma Q.Y. Active Tuning of High Frequency Resonators and Filters. //IEEE Transactions on Applied

41. Superconductivity, 2001, vol.11, no.l, pp 353- 356. (Columbia University).

42. J.-K.Ginefri, L.Darrasse, and P.Crozat Comparison of Radio-Frequency and Microwave Superconducting Properties of YBaCuO Dedicated to Magnetic Resonance Imaging. //IEEE Trans, on Appl. Supercond. vol.9, №4, p.4695-4701, 1999.

43. P.S.Excell, Z.M.Hejazi. Electrically Small Resonator Using Thick-Film High-Tc Superconducting Wire Helix. //IEEE Trans, on Appl.Supercond. vol.9, №4, p.4654-4660, 1999.

44. R.S. Withers, G.-C. Liang, B.F. Cole, and M. Johanson Thin-film HTS probe coils for magnetic-resonance imaging, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 1993, vol.3, no.l, pp. 2450-2453.

45. S.Kolesov et.al. Planar HTS Structures for High-Power Applications in Communication Systems //Journal of Supercond. -1997. -Vol.10.-No.3- P.179-187.

46. Е.А. Вопилкин, А.Е. Парафин, С.А. Павлов, Л.И. Пономарев, А.Ю. Ганицев, А.С. Жуков, В.В. Владимиров, А.Г. Летяго, В.В. Паршиков

47. Высокодобротный перестраиваемый сверхпроводящий контур ВЧ диапазона», Письма в ЖТФ том 27. - вып. 16 - 2002. - с. 90-94.

48. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Сверхузкополосные перестраиваемые фильтры для радиотехнических систем связи // Всероссийская конференция «Информационно-телекоммуникационные технологии», Тезисы докладов, Сочи, 20-25 сент. 2004, с.127-129.

49. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Основы теории перестраиваемого фильтра, разработанного с использованием высокотемпературных сверхпроводящих проводников // Сборник статей "Антенны", № 12(103), 2005, с.4-10.

50. Пономарев Л.И., Терёхин О.В. Применение ВТСП преселектора для улучшения характеристик приемных устройств // Сборник статей "Антенны", №09(112), 2006, с.61-66.

51. Паршиков В.В., Пономарев Л. И., Прокопьев Т.В., Терёхин О. В. Устройство для автоматической настройки высокодобротного контура высокочастотного диапазона радиоприемника, Патент №53502, заявка №2005125960. Приоритет от 16.08.2005г.

52. Пономарев Л.И., Паршиков В.В., Терёхин О.В. Основы теории перестраиваемого фильтра, разработанного с использованием высокотемпературных сверхпроводящих проводников // Сборник статей "Антенны", № 12(103), 2005, с.4-10.

53. Пономарев Л.И., Терёхин О.В. Применение ВТСП преселектора для улучшения характеристик приемных устройств // Сборник статей "Антенны", №09(112), 2006, с.61-66.

54. V.I.Abramov, A.Y.Klimov, A.N.Reznik, B.B.Tagunov «Miniaturization of microwave antenna by high-temperature superconductors», Proc. 5-th Injt. Symp. on Recent Advances in Microwave Technology, Kiev, Ukraine, Sept. 11-16, pp. 378-381, 1995.

55. А.Ю.Климов, З.Ф.Красильник, A.H.Резник, В.И.Абрамов, И.Ф.Белов, Б.Б.Тагунов, «Миниатюрная высокотемпературная сверхпроводящая антенна СВЧ диапазона», Сверхпроводимость: Физ., Хим., Техн., т.6, №11-12, сс. 2150-2159, 1993г.

56. R.C.Hansen «Antenna applications of superconductors», IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol. 39, №9, pp. 1508-1512, 1991.

57. R.J.Dinger, D.R.Bowling, A.M.Martin. A survey of possible passive antenna applications of high-temperature superconductors. IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol.39, N9, pp. 14981507, 1991.

58. H.Chaloupka. High-temperature superconductor antennas: utilization of low rf losses and nonlinear effects. J. Supercond., Vol.5, N4, pp.403-416, 1992.

59. H.Chaloupka, N.Klein, M.Peiniger, H.Piel, A.Pischke, G.Splitt. Miniaturized, high-temperature superconductor microstrip patch antenna, IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol.39, N9, pp.15131521, 1991.

60. S.Ohshima, T.Ogasavara, K.Ehata. Design and fabrication of YBCO patch antennas. IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.7, N2, pp.30603063, 1997.

61. K.Ehata, T.Ogasawara, M.Kusunoki, S.Ohshima. Design and characterization of superconducting patch antenna. Advances in Supercond. IX, Proc. 9th Int Symp. Supercond., Oct. 21-24, 1996, Sapporo. Springer-Verlag Tokyo, 1997, pp. 1273-1276.

62. K.Ehata, Mohammad Idris Ali, M.Kusunoki, S.Ohshima. Examination on power handling capability of superconducting patch antenna. IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.9, pp.3081-3085, 1999.

63. Патент США US2002/0135373 A1 Sep. 26, 2002.

64. Z.-Y.Shen. High-temperature superconducting microwave circuits. Artech House, Boston-London, 1994, 273 p.

65. M.Hein. High-temperature-superconductor thin films at microwave frequencies. Springer Tracts in Modem Physics, vol. 155, Springer 1999, 395 p.

66. N.Newman, W.G.Lyons. High-temperature superconducting microwave devices: fundamental issues in materials, physics, and engineering. J.Supercond., vol.6, pp.119-159; 1993.

67. H-J.Chaloupka, M.A.Hein, G.Muller. HTS microwave applications in Europe. High-Tc Microwave Superconductors and Applications, SPIE, vol.2156, pp.36-54, 1994.

68. R.J.Dinger. Some potential applications of high-temperature superconductors. J.Supercond, vol.3. N3, pp.287-296.

69. R.J.Dinger, D.R.Bowling, A.M.Martin. A survey of possible passive antenna applications of high-temperature superconductors. IEEE Trans. Microwave Theory Techn., vol.39, N9, pp. 14981507,1991.

70. A.M.Portis, H.Chaloupka, M.Jeck, H.Piel, A.Pischke. Power-induced switching of an HTS microstrip patch antenna. Supercond. Sci. Technol., vol.4, pp.436-438, 1991.

71. Диссертация Жукова А.С., «Перестраиваемый узкополосный преселектор ВЧ диапазона», М., МАИ, 2005г.

72. Атабеков Г.И. Основы теории цепей, Москва, Энергия, 1969г.

73. В.В.Никольский, Т.И.Никольская «Электродинамика и распространение радиоволн», уч. Пособие для Вузов.- 3-е изд., М. : Наука, 1989г., 544с.

74. Менде Ф.Ф. Сверхпроводящие охлаждаемые системы /Ф.Ф.Менде, И.Н.Бондаренко, А.В.Трубицын Киев: Наукова думка, 1976. - 272с.

75. Семенов К.А. «Радиоприемные и усилительные устройства», издание второе, М.: Сов. Радио, 1965г., 647с.109 «Защита от радиопомех» под ред. Максимова М.В., Сов. Радио, 1976г, 496с.

76. Microwave Journal, April, 1999, vol. 42, № 4.121 http://www.jssaturn.com/katalog Каталог МЖУ фирмы «Сатурн»122 http://rt22.prao.psn.ru/publication/prepl3krasnov2003.pdf123 http://www.artnet.ru/manus.phtml

77. K.D.Irwin, M.E.Huber, SQUID Operational Amplifier 11 IEEE Transactions on Appl. Supercond. 11(1) Mar 2001. p. 1265-1270.

78. J. Luine, L. Abelson, D. Brundrett, J. Burch, E. Dantsker, K. Hummer, G. Kerber, M. Wire, and K. Yokoyama, Application of a DC SQUID Array Amplifier to an Electrically Small Active Antenna // IEEE Trans., September 15, 1998.127 www.arrl.org

79. Ключарев М.Ю. Малошумящие транзисторные усилители СВЧ. Уч. пособие. М.: МАИ, 1998 г.

80. Протопопов А.С. Шумы и реальная чувствительность радиоприемных устройств. Уч. пособие. М.: МАИ, 1980 г.

81. Документы X Пленарной Ассамблеи МККР. Отчет 322. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики, М. : Связь, 1965 г.

82. Цейтлин Н.М. Применение методов радиоастрономии в антенной технике, М.: Советское радио, 1966 г.

83. Диссертация Ганицева А.Ю. Эффективность применения высокодобротных преселекторов из высокотемпературных сверхпроводников с адаптивными антенными решетками. М., МАИ, 2001 г.

84. Отчет по НИР «Поиск», Москва, МАИ, 1996 г.

85. Г.З.Айзенберг, Е.П.Белоусов, Э.М.Журбенко и др. Коротковолновые антенны, М.: Радио и связь, 1985г., 535с.

86. О.Г.Вендик, А.В.Козырев «Сверхпроводимость в антенно-фидерной технике KB и УКВ диапазонов» Сборник статей под ред. Пистелькорса А.А. Выпуск 33, 1986г., стр. 4-21.

87. Вендик О.Г., Попов А.Ю., Распределение тока в поперечном сечении и погонное сопротивление сверхпроводящей микрополосковой линии, ЖТФ, том 63, вып. 7, 1993г., стр. 1-8.

88. Климов А.Ю., Красильник З.Ф., Резник А.Н. Миниатюрная высокотемпературная сверхпроводящая антенна СВЧ диапазона, Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1993г., том б, №11-12, с. 2150-2159.

89. Абрамов В.И., Климов А.Ю., Резник А.Н., Тагунов Б.Б. Электрически малая полосковая антенна из высокотемпературного сверхпроводника, Письма в ЖТФ, 1994г., том 20, вып. 19, с. 60-65.

90. Абрамов В.И., Резник А.Н. Миниатюризация вибраторной сверхпроводниковой антенны, Известия ВУЗов, серия Радиофизика, 1999г., том 42, №2, с. 2125-2128.

91. Т. Ван Дузер, Ч.У. Тернер Физические основы сверхпроводниковых устройств и цепей, М: Радио и связь, 1984.142 «Антенны» под ред. Д.И.Воскресенского, уч. пособие для ВТУЗов, 1999.

92. В.И.Голубев «Эффективная избирательность РПУ», 1978г.