автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Транзисторные сверхрегенеративные приемопередающие устройства с повышенным потенциалом в системах радиолокации и связи

На правах рукописи

□ОЗОВ271Т

(.ии/

КУДИНОВ Сергей Иванович

ТРАНЗИСТОРНЫЕ СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫЕ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА С ПОВЫШЕННЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ В СИСТЕМАХ РАДИОЛОКАЦИИ И СВЯЗИ

Специальность 05 12 04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 2007

003062717

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» на кафедре Технологии и средства связи

Ведущая организация ФГУП НПО Автоматики им академика Н А Семихатова, г Екатеринбург

Защита состоится 18 мая 2007 г в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 285 11 в ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ» по адресу 620002, г Екатеринбург, ул Мира, 32, РИ - РТФ, аудитория Р - 217

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО УГТУ-УПИ

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим высылать по адресу 620002, г Екатеринбург, ул Мира, 19, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, ученому секретарю диссертационного совета Д212 285 11 Важенину В Г

Автореферат разослан 17 апреля 2007 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212 285 11

Научный руководитель доктор технических наук, доцент

Иванов Вячеслав Элизбарович

Официальные оппоненты доктор технических наук, доцент

Носков Владислав Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Кравченко Георгий Иванович

кандидат технических наук, доцент

Важенин В Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сверхрегенеративные приемопередающие устройства (СПП) нашли широкое применение в связи, радионавигации, автономных спасательных маяках, радиовысотомерах, радиолокаторах ближнего радиуса действия, системах радиоуправления и др Весьма эффективно применение бортовых СПП в отечественных системах радиозондирования атмосферы для измерения наклонной дальности, угловых координат и передачи телеметрической информации Максимальная дальность и надежность работы канала связи определяются параметрами СПП чувствительностью в приемном режиме, мощностью излучаемых радиоимпульсов, рассогласованием частот приема и передачи Отношение величины излучаемой мощности радиоимпульса к величине предельной чувствительности приемного режима СПП определяется как потенциал приемопередатчика Недостатками современных серийно выпускаемых СПП на интегральных модулях М45302 для использования в радиолокации с активным ответом являются недостаточно высокая чувствительность к запросному сигналу (минус 85 дБ/Вт), значительное отличие частот приема и передачи (до 15-20 МГц), низкий КПД (0,10 - 0,15) Повышение чувствительности СПП в приемном режиме позволяет значительно увеличить дальность работы канала радиосвязи, а в системах радиолокации с активным ответом в канале «РЛС - радиозонд» существенно снизить требуемую максимальную мощность излучения передатчика запросного сигнала РЛС В работах Е Н Armstrong, I R Whitehead, Г С Горелика, Л С Гуткина, Д Н Томсона, И С Гоноровского, М К Белкина, Г Б Ольдерогге, Г И Кравченко, В Э Иванова и других авторов рассматриваются проблемы обеспечения высокой чувствительности при воздействии шума и ударных колебаний (УК) на сверхрегенеративные усилители и способы снижения влияния этих факторов Результаты этих исследований во многом представляют анализ, результаты которых не позволяют получить количественные оценки факторов, влияющих на реальную чувствительность приемного режима и уровень излучаемой мощности, что затрудняет проектирование СПП В связи с этим важно разработать методы количественной оценки УК, влияния флуктуаций фактора регенерации на чувствительность СПП и сформулировать требования по их снижению при проектировании Также необходимо решить проблему эффективной оценки регенеративных свойств транзисторных СПП при различных соотношениях параметров обратной связи и нагрузки для выбора оптимальных режимов запуска СПП с высокой чувствительностью и мощностью Использование при проектировании полученных результатов исследований позволит создать СПП, имеющий повышенный потенциал, и, следовательно, способствует модернизации существующих отечественных систем связи и радиолокации с активным ответом Работа выполнялась по направлению исследований и создания технических средств радиозондирования и связи, проводимых на радиотехническом факультете ГОУ ВПО УГТУ-УПИ по постановле-

нию Правительства СССР, целевым программам Роскомгидромета РФ, заказам предприятий радиотехнического профиля

Целью работы является разработка методов расчета основных характеристик и создание опытных образцов СПП с повышенным потенциалом

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо осуществить

1 Разработку математической модели расчета обобщенной регенеративной характеристики (ОРХ) сверхрегенеративного приемопередатчика, позволяющей определить зависимость регенеративных свойств от управляющих токов, коэффициента обратной связи и импеданса нагрузки, с целью выбора оптимальных условий запуска СПП с быстрым установлением колебаний

2 Разработку процедуры оценки влияния флуктуации фактора регенерации СПП на величину полосы пропускания контура в граничном режиме, получение количественных оценок минимально достижимой полосы пропускания в условиях многократного запуска

3 Провести исследование на основе математической модели СПП с переменным затуханием контура воздействия флуктуационных колебаний (ФК) на чувствительность сверхрегенеративного приемопередатчика для различных режимов запуска

4 Разработку математической модели СПП с переменным затуханием контура, учитывающей воздействие УК, определение условий снижения амплитуды УК в приемном режиме и создание методики экспериментальной оценки их влияния на реальную чувствительность устройства

5 Создание на основе результатов исследований образцов СПП в диапазоне СВЧ на биполярных и полевых транзисторах с повышенным потенциалом.

Методы исследования (анализа). Поставленные в диссертационной работе задачи решаются методами численного решения неоднородных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, гармонической линеаризации, компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ

Основные положения, выносимые на защиту

1 Методика построения ОРХ, определяющей характер установления и амплитуду стационарных колебаний в СПП для всех возможных значений коэффициента обратной связи, импеданса нагрузки, управляющих пусковых и гармонических токов

2 Флуктуации фактора регенерации определяют минимальную полосу пропускания и предельную чувствительность СПП в граничном режиме

3 Скорость нарастания и амплитуда переднего фронта импульсов тока запуска автогенератора, величина собственного затухания контура, закон изменения затухания контура в приемном режиме должны быть взаимно согласованы с целью снижения амплитуды УК и соответствующего увеличения предельной чувствительности СПП

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований

1 Обосновано использование ОРХ для исследования процесса установления автоколебаний, выбора основных параметров СПП для повышения энергетического потенциала - достижения предельной чувствительности и максимальной выходной мощности излучения

2 Установлена количественная зависимость минимальной величины полосы пропускания колебательного контура от уровня флуктуаций пускового тока и фактора регенерации СПП в граничном режиме для оценки предельной чувствительности

3 Разработана методика количественной оценки чувствительности СПП при изменяющемся затухании контура с учетом влияния дробовых флуктуаций тока запуска и тепловых шумов на основе математической модели СПП в линейном режиме

4 Разработана методика количественной оценки УК на основе линейной математической модели СПП, учитывающей воздействие УК, при изменяющемся затухании контура, определены условия минимального влияния амплитуды УК на чувствительность и режимы работы СПП

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты использованы для создания образцов транзисторных СПП диапазона СВЧ с повышенным потенциалом

1 Разработанная в диссертационной работе методика выбора на основе расчета ОРХ величин граничного значения тока эмиттера и стационарной амплитуды автоколебаний, сопротивления нагрузки для формирования быстрого установления автоколебаний позволяет повысить эффективность проектирования при создании опытных образцов СПП

2 Созданное программное обеспечение для построения ОРХ, определения уровня ФК и УК в контуре позволяет анализировать работу СПП на выбранных разработчиком СВЧ-транзисторах и дает существенное сокращение объема экспериментальных исследований при проектировании устройства

3 Определены требования к форме переднего фронта и амплитуде импульсов запуска автогенератора СПП, непосредственно влияющие на выбор схемотехнического решения генератора суперирующего напряжения, что уменьшает время проектирования устройства

4 Разработанные транзисторные СПП, имеющие повышенные чувствительность, мощность, стабильность частоты, меньшую величину рассогласования частот приема и передачи, по сравнению серийными прототипами позволяют повысить технические характеристики устройств систем связи и радиозондирования

5 Созданный технологический стенд и методика настройки СПП позволяют устанавливать оптимальные параметры запуска, выбранные по рассчитанной ОРХ, обеспечивать максимальные реальную чувствительность, выходную мощ-

ность радиоимпульсов, а также повторяемость выходных параметров СПП при серийном производстве

Внедрение научных результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы, реализованные в конструкции СПП, внедрены в опытно-конструкторские работы и серийное производство аэрологических радиозондов и радиолокаторов на предприятиях ОАО «УПП «Вектор» г Екатеринбург, ОАО «Радий» г Касли Получены акты внедрения разработанных СПП

Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах «Системы радиоэлектроники, связи и управления» per НТК Екатеринбург, 1992, «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» III Всероссийская НТК (с участием стран СНГ), Ульяновск, УлГТУ, 2001, «СВЯЗЬПРОМ 2006» межд НТК III ЕвроАзиатский форум «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006»,Екатеринбург, 2006, (3 доклада), «Наука, инновации и образование актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», межд НТК, Екатеринбург, УрГУПС, 2006 (2 доклада), «Наука-Образование- Производство Опыт и перспективы развития», per НТК, Н Тагил, ГОУ УГТУ-УПИ, Нижнетагильский технологический институт, февраль, 2007

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 5 статей, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и в 4 патентах

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 64 наименований, 2 приложений, изложена на 158 страницах машинописного текста, в котором приведено 52 рисунка и 1 таблица

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, представлены основные положения, выносимые на защиту, определены цели и задачи исследования, изложены новые результаты, полученные при исследовании, их научное и практическое значение, формы реализации и внедрения Характеризуются методы исследований, описываются объем и структура работы с указанием круга рассматриваемых вопросов

В первой главе анализируются принципы и особенности работы транзисторного СПП, работающего в нелинейном режиме Формулируются основные технические требования к СПП для целей радиолокации и связи, исследуются вопросы о возможности повышения потенциала - реальной чувствительности и выходной мощности

Для решения первой задачи диссертации анализируются модели транзисторов СВЧ диапазона, наиболее подходящие для расчета параметров автогенератора

с учетом основных нелинейностей, присущих этим полупроводниковым приборам Производится выбор математических методов исследования для анализа начального периода развития колебательного процесса в СПП, соответствующего приемному режиму На основе физической модели транзистора выбирается эквивалентная схема автогенератора, справедливая для первых гармоник тока и напряжений, наиболее полно отвечающая задаче исследования СПП

Анализируется уравнение автогенератора на основе варианта метода гармонической линеаризации - метода медленно меняющихся амплитуд Модель СПП представлена в виде двухполюсника, состоящего из комплексных проводи-мостей транзистора YT и нагрузки K¿, включающей элементы колебательного контура Уравнение автогенератора для недонапряженного режима с малым значением затухания колебательного контура записывается в виде системы уравнений

ReYT+ReYL = 0, 1шУ7- + 1гпУ/_=0 (1)

Для решения системы уравнений выбрана модель транзистора, основанная на использовании в расчетах его комплексной проводимости коэффициента передачи тока эмиттера а в схеме с общей базой За основу расчета режимных параметров транзистора принята усовершенствованная зарядная модель с использованием аппроксимации зависимости граничной частоты <в4 для определения коэффициента передачи тока а Показано, что условия самовозбуждения автоколебаний в СПП условие самовозбуждения может быть представлено в виде

Gy

llm al >-(У)

' ' «> Ске ' (2)

где ~ суммарная проводимость потерь контура и нагрузки,

емкость коллектор - эмиттер, Ск - емкость коллектора, >\ - сопротивление коллектора

При построении модели учитывается тот факт, что нелинейные свойства транзистора зависят от параметров коэффициента передачи транзистора a и емкости коллекторного перехода Ск Отрицательная проводимость, вносимая в контур транзистором и влияющая на самовозбуждение СПП, связана с Ima В рассматриваемой модели составляющая Im a влияет на регенеративные свойства автогенератора, Rea определяет фазовые соотношения в контуре и частоту автоколебаний Так как в принятой модели коэффициент a зависит от частоты, то учитывается нелинейность параметра транзистора - граничной частоты <a¿ от мгновенного значения тока коллектора, критического тока транзистора, напряжения смещения, мгновенного напряжения на коллекторе a = f(I¡i,Icr,Usm,Uke) Также

учитываются зависимости емкости эмиттера Се, емкости коллектора Ск от мгновенного значения напряжения на коллекторе транзистора Uk В общем случае влияние основных факторов нелинейности на мгновенное значение коэффициента а представлено в виде выражения

a = a0[(l + jmCere)(l + 7n0mcü¡1f~1 ехрС-у^сосо"1) (3)

где «о - коэффициент передачи постоянного тока эмиттера в схеме с общей базой, юъ - граничная частота транзистора, Се - барьерная емкость, ге - сопротивление эмиттера, Щ), щ- коэффициенты

Коэффициенты щ, «о корректируют фазо-частотную характеристику а

Использование этой модели обеспечивает расчет параметров запуска, необходимых для реализации режима быстрого установления колебаний в СПП Импульсы, вырабатываемые генератором суперирующего сигнала, задают пусковой ток автогенератора Is Переменный входной ток эмиттера 1ет определяется проводимостью цепи обратной связи автогенератора Режим запуска автогенератора выбирается таким образом, чтобы в начальный момент развития автоколебаний не проявлялось действие нелинейных факторов, вызывающих изменение а В этом случае входной ток автогенератора, характерный для быстрого установления колебаний в области средних и больших амплитуд представляется в виде зависимости

'ш = /* + /ет11 + СО8(С0* + ф)], (4)

где 15 - пусковой ток автогенератора, ^ет — амплитуда гармонического тока эмиттера

Регенеративные свойства контура СПП определяются отрицательной проводимостью транзистора Re YT, зависимой от тока эмиттера Для оценки уровня регенерации вводится в рассмотрение безразмерный параметр - фактор регенерации

® i i

4» = —4s-|lma|-l (5)

На основании предложенной модели осуществляется расчет интегрального фактора регенерации для рабочего диапазона пусковых и гармонических токов транзистора

Вторая задача, решаемая в диссертации, связана с определением предельной чувствительности СПП в граничном режиме, соответствующему нулевому среднему значению затуханию контура Разрабатывается процедуры количественной оценки полосы пропускания СПП и предельной чувствительности в граничном режиме

Третья задача исследования связана с анализом ФК, присутствующих в контуре транзисторного СПП при нарастании режимного тока от нуля до пускового значения При этом учитываются дробовой и тепловой шумы транзистора Рассмотрены вопросы использования модели автогенератора СПП для исследования автоколебательного процесса при воздействии ФК и определения зависимости полосы пропускания при многократном запуске СПП для различных режимов

Четвертая задача в работе связана с анализом влияния УК на параметры СПП Известно, что чувствительность СПП зависит не только от влияния ФК на полосу пропускания, но и от уровня колебаний в контуре, возникающих при воздействии импульсов суперирующего напряжения, управляющих режимным током автогенератора При этом изменяется не только декремент затухания b(t) контура, что является положительным эффектом работы СПП, но и одновременно проявляется паразитный эффект - возникают ударные колебания на резонансной частоте контура Эти колебания маскируют полезный сигнал, поступающий в контур, и снижают предельную чувствительность СПП

Для определения условий, при которых минимизируется влияние УК, на основе математической модели автогенератора с переменным затуханием контура, учитывающей воздействие ударных колебаний разрабатываются требования к управляющему сигналу генератора суперирующего напряжения, граничному и пусковому токам, собственному затуханию контура СПП с целью достижения предельной чувствительности

Во второй главе решается первая из поставленных задач исследования -разрабатывается методика расчета ОРХ, на основе которой осуществляется поиск условий, обеспечивающих эффективную работу СПП

Для этого требуется найти зависимость затухания колебательной системы на рабочей частоте во всем диапазоне рабочих токов транзистора Наиболее важными для анализа и расчетов СПП являются режимы запуска и установления автоколебаний Известные методы оценки регенеративных свойств СПП основаны на использовании малосигнальной (МРХ) и динамической (при средних и больших уровнях колебаний - ДРХ) регенеративных характеристик ДРХ характеризует свойства на участке установления от уровня ФК до стационарного значения амплитуды Недостатком рассмотренных характеристик является ограниченное представление регенеративных свойств СПП в реализуемом диапазоне изменения коэффициента обратной связи и сопротивления нагрузки, так как не дается общее представление о динамическом изменении фактора регенерации при вариации пусковых и гармонических токов автогенератора на интервале от нулевых до максимальных значений На основе этих характеристик для целей анализа разрабатывается процедура расчета ОРХ, позволяющей наиболее наглядно проследить процесс самовозбуждения и развития автоколебаний, начиная от минимальных амплитуд и заканчивая стационарным режимом, оценить во всем диапазоне рабо-

чих токов транзистора устойчивость стационарного режима. Процедура построения ОРХ включает в себя расчет МРХ и ДРХ как частный случай. Алгоритм реализован таким образом, что полученные на первом этапе расчета маяоеигналыше значения мнимой и действительной частей коэффициента передачи Imd,Recc далее используются для определения начальной фазы <ра при переводе к режиму средних и больших амплитуд колебаний. Рассчитанные величины Im a. Re а. Rc%,Im Vj-, определяемые в динамическом режиме для текущих значений пускового (диапазон 0 /,) и гармонического токов эми ттера (диапазон 0 /пя), усредняются в пределах одного периода колебаний путем интегрирования с учетом мгновенных зависимостей от входного тока i-m, напряжения коллектор-эмиттер Ufo и фазы ФС1. Таким образом определяются интегральные значения [ma ¡!lt, Re а Ш1t Re Yj ¡]U, im ¥j ¡nt. Для наглядного определения регенеративных свойств СПП па основе численного метода йроведейо компьютерное моделирование н построена зависимость интегрального фактора регенерации ОРХ от пускового тока !s и амплитуды гармонического тока эмиттера 1ет для режима быстрого установления колебаний сверхрегенератора, (рис,1).

ОРХ позволяет определить динамику процесса установления колебаний. Зависимость интегрального фактора регенерации от двух основных управляющих параметров запуска, величины обратной связи и проводимости нагрузки представляет область возможных значений Tjnt, позволяющую исследовать и выбирать оптималбйые условия запуска СПП с целью обеспечить быстрый переходный процесс установления колебаний. Для достижения высокой реальной чувствительности СПП в приемном режиме необходимо выбйрать и устанавливать такие начальные значения Is, Iст ,, С/_, когда минимален при запуске (> 0, min /ст = min Is = min ), Для быстрого установления амплитуды колебаний и обеспечения наибольшей мощности необходимо , чтобы фактор регенераций увеличивался в диапазоне средних амплитуд (LPj ,п » 0,max ) и далее монотонно стремился к нулю 4JM1t = 0 в диапазоне максимальных амплитуд для данного типа транзистора I'ет = max .

ОбоЛщшишн [мл енерагтквная X::рaicrcpHi fHKa ЛГ lid Тржпнсторс

кт637л

= ls

пусковой Is. Л тока э adпiepa lern, А

Рис. 5

В третьей главе исследована зависимость реальной чувствительности СПП от уровня тепловых и дробовых шумов Количественно оценено влияние флуктуации фактора регенерации на величину полосы пропускания колебательного контура СПП в граничном режиме

Характерным свойством СПП является существенная зависимость параметров приемного и передающего режимов от условий включения при затухании контура вблизи нулевых значений Следовательно, оценка уровня флуктуации затухания контура вблизи нулевого значения фактора регенерации и, соответствующее этому режиму, значение минимальной эффективной полосы пропускания являются важными для определения предельной чувствительности СПП

Проведены анализ и оценка эффективного значения флуктуаций тока в СПП в момент запуска Приближенно определен эффективный уровень флуктуаций граничного тока inb, при котором выполняются условия самовозбуждения В оценке учтено влияние ФК в течение приемного интервала работы СПП за счет дробовых флуктуаций пускового тока ins Проанализировано влияние эффекта изменения полосы пропускания контура А/~, связанного с законом изменения затухания d{t) в течение приемного интервала, на уровень флуктуационных колебаний Известно, что спектр флуктуационных колебаний пускового тока является широкополосным Учитывая изменение затухания в декрементном и инкремент-ном режимах АГ, суммарный флуктуационный ток контура СПП, действующий в течение приемного интервала, определен как сумма дисперсий граничного и пускового токов

В этом случае эффективная амплитуда напряжения флуктуационных колебаний, определяющая чувствительность СПП, находится с помощью соотношения

где р - характеристическое сопротивление контура, со - резонансная угловая частота контура, Сс - эквивалентная емкость контура СПП

В качестве примера приведена оценка реальной чувствительности СПП на

транзисторе КТ647А при пусковом токе /<¡=10 мА, на частоте ./¿=1780 МГц и полосе пропускания Д/=20 МГц, измеренной экспериментально В этом случае суммарный флуктуационный ток имеет величину порядка 0,52 мкА Эффективная амплитуда флуктуационного напряжения при характеристическом сопротивлении колебательного контура СПП в 20 Ом составляет Ап1= 10 мкВ

(6)

^и1=Р'«Е='пЕ(соСс)

(7)

Анализ результатов показывает, что для снижения влияния флуктуационно-го шума и повышения чувствительности СПП необходимо реализовывать режимы запуска АГ с минимально возможными величинами граничного /¿, и пускового токов

Полученные выше оценки уровня суммарных флуктуации тока позволяют для известной функции фактора регенерации определить уровень флуктуаций затухания и величину полосы пропускания СПП при постоянном нулевом среднем значении затухания контура В режиме запуска при малых значениях пускового тока и переменной амплитуды эмиттерного тока характеристика фактора регенерации может быть представлена с помощью линейной модели Это позволяет сравнительно просто оценить влияние флуктуаций пускового тока 15 автогенератора на флуктуации фактора регенерации при условии, что пусковой ток равен граничному = ¡ь Принимается, что плотность распределения пускового тока имеет нормальный закон распределения, поэтому, учитывая близкий к линейному закону характер зависимости для малых отклонений пускового тока, утверждается, что и плотность распределения фактора регенерации также подчиняется нормальному распределению Это допущение позволяет оценить среднеквадратичное значение флуктуаций фактора регенерации в виде зависимости

^ -Уь г«Е> (8)

где 4>ь ~ производная функции фактора регенерации при условии дости-

жения режимным током 1е граничного значения /е = /¿,

Соответственно, при многократном запуске СПП минимальная эффективная полоса пропускания колебательного контура А/"„ на границе самовозбуждения при пусковом токе, равном граничному значению = /¿> определяется с помощью выражения

¥п = 2с/=2/0Ч>ь'„I , (9)

где /0 - центральная рабочая частота СПП

Оценки показывают, что для рабочей частоты 1780 МГц минимальное значение полосы пропускания контура составляет около 100 кГц

Для решения третьей задачи определено влияния динамически изменяющегося фактора регенерации на величину полосы пропускания в приемном интервале работы СПП Расчеты проводились на основе математической модели СПП путем численного решения неоднородного дифференциального уравнения при воздействии постоянной и флуктуационной состовляющих тока транзистора Зави-

снмоШь амплитуды суммарного флуктуационного тока от затухания контура представлено в виде выражения

'«1 = 2Л

2л С,

/а

+ ?/, (1-е"1')

(10)

Изменение затухания контура происходит в соответствии с принятым законом формирования переднего фронта импульса режимного тока запуска —

Учитывая резонансные свойства контура, модель флуктуационного шума представляется в виде гармонического колебания, амплитуда которою определяется флуктуациями режимного тока автогенератора и текущим значением затухания контура. В этом случае дифференциальное уравнение, описывающее развитие колебаний в контуре С ГШ с учетом влияния флуктуации тока, представляется в следующем виде

<*ик . ... 2____^(г„у(Оат( шр) ^

с12ик

+ ш Щ =

Ток входной к, А

, +25(0- .. I Ж <# С Л

Решение этого уравнения па основе численного метода осуществлено с помощью компьютерной моделирования в пакете МЛ'П.АВ. I ¡слученные графические зависимости амплитуды колебаний и полосы пропускания контура от времени представлены на рис.2.

Расчеты зависимости полосы пропускания контура от тока запуска осуществлялись при условии, что время нарастания переднего фронта импульса запуска во много раз превышает период автоколебаний СИП - тЛ » Тт . Анализ результатов показывает: рост режимного тока ¡е транзистора СПИ вызывает уменьшение затухания контура <({( 1 от начального значения 4) я» нуля при достижении граничного тока ¡е~Ь> > что соответственно приводит к сужению полосы пропускания контура до конечной Минимальной величины, ограниченной уровнем флуктуации затухания (рис.2). При дальнейшем увеличении пускового тока полоса контура расширяется уже в области инкрементного, автоколебательного режима работы СП П. Проведенные расчеты полосы

С

Рис. 2

пропускания показывают (рис 3), что уменьшение разницы между граничным и пусковым значением тока приводит к соответствующему уменьшению полосы пропускания контура в инкрементном режиме

Таким образом, для достижения минимальной полосы пропускания в динамическом режиме работы необходимо устанавливать малую скорость нарастания

Полоса контура

ä -

•ч га'

t '

й ю «

"га* &

I"

§ ю" о § 10" с

ю1

D=Is-H>=l 3 HiA

D=ls-to=0 1 nv\

06 OS

Время, Рис 3

импульса запуска, и минимизировать разницу между значениями граничного и пускового токов СПП С другой стороны, для получения максимальной чувствительности, как было показано ранее, необходимо реализовать режим работы СПП с минимальными абсолютными значениями граничного и пускового токов

Выполнение этих условий при выбранных параметрах расчета дает оценку предельной чувствительности СПП на частоте 1780 МГц - минус 120-125 дБ/Вт при сотношении сигнал/помеха равном единице

В четвертой главе решается следующая задача диссертационного исследования - анализируются процессы развития УК в контуре СПП и методы оценки их амплитудных значений Формируются требования к импульсам генератора су-перирующего напряжения и собственному затуханию контура СПП

Показано, что влияние УК практически проявляется всегда и требует соответствующего учета Механизм действия УК связан с возбуждением колебательной системы СПП видеоимпульсами тока активного элемента в момент запуска

В главе исследуется эффект ударного возбуждения колебательной системы СПП для разных уровней собственного затухания контура 4) путем численного решения неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с переменными коэффициентами Проведен выбор и анализ эквивалентной схемы АГ с параллельным колебательным контуром, как наиболее оптимальной для анализа УК Дифференциальное уравнение, описывающее процессы в контуре, содержит правую часть, моделирующую внешнее воздействие постоянной составляющей пускового тока СПП в виде функции времени

•у

d иь _ _ . . duv dt2 dt

+ ю Ufr =

1 dle(t) С dt '

(12)

где щ - амплитуда напряжения на элементах контура СПП, 8(0-

2ЛС(0

декремент затухания контура, 0-

КпСс

резонансное сопротивление парал-

лельного контура, II п - активное сопротивление контура

Такой выбор модели внешнего воздействия оправдан, поскольку при проведении экспериментальных исследований СПП контролировать и наблюдать видеоимпульсы пускового тока удобнее, чем напряжение на контуре

УК в контуре возбуждаются импульсами постоянного тока транзистора, передний фронт которых описывается зависимостью, отображающей реальный экспоненциальный закон нарастания тока эмиттера транзистора при запуске

/е(0=/Л1-е~Х')> (13)

где х~ коэффициент, определяющий крутизну нарастания тока эмиттера

Ток эмиттера, вызывая УК, одновременно управляет затуханием контура (1(1) - устремляет его значение к нулю С целью упрощения численных расчетов реальная функция фактора регенерации для малосигнальной характеристики ^5((/е) представлена в виде линейной зависимости, (рис 4) Зависимость фактора регенерации от режимного тока запуска в процессе возникновения УК выражается в виде

где

_1_ 1ь

1Ь

крутизна линеаризованной регенера- 2,0

(14)

тивной характеристики Зависимость декремента затухания контура 5(/е) от текущего значения тока эмиттера можно выразить через функцию фактора регенерации как

(15)

5(/) = -—— 2 С.

"1,0.

У»

/> ¿1 Г 1

Л \''

Рис 4

Решение уравнения СПП осуществляется при непрерывно изменяющемся затухании ¿(0 от максимального собственного значения до

отрицательных значений Расчеты выполняются путем компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ

Отдельные результаты расчета амплитуды УК при разном значении крутизны нарастания х переднего фронта импульса суперизации представлены на рис 5 Анализ результатов показывает, что максимальная амплитуда ударных колебаний

11апряжение на контуре, В

Ут пропорциональна крутизне и амплитуде тока запуска . Если затухание колебательной системы положительное, УК имеют затухающий характер. Мри отрицательном затухании УК определяют начальную амплитуду автоколебаний, которые экспоненциально нарастают. В случае значительной амплитуды УК, и ре-Ток эмиттера !е, а, витающей уровень ФК па момент выполнения

условий самовозбуждения при достижении таком запуска граничного значения ^=/¿1, УК определяют реальную чувствительность и навязывают фазу автоколебаниям. Этот эффект наблюдается при многократном запуске путем анализа спектра излучения СПП.

11 спектре излучения СПИ появляются дискретные составляющие, расположенные друг от друга па интервале, равном периоду частоты су-нерирующих импульсов ЩРС, (рис. 6), где I — спектр излучения СПП, вызванный влиянием УК, 3 - амплитуда сплошного (шумового) спектра излучения в отсутствии УК. Соотношение амплитуд дискретной спектральной составляющей - 2 и сплошного спектра -3 могут являться критерием для оценок допустимой амплитуды УК и реальной чувствительности С1III. Результаты компьютерного моделирования УК, рассчитанных выше, показывают:

1. I [ачальная амплитуда УК пропорциональна величине и крутизне нарастания пускового тока

2. Амплитуда УК монотонно уменьшаете? на декрементном участке работы СПП, когда мгновенное значение тока запуска меньше граничного тока 1е< ¡¡¡.

3. 11а инкрементом участке работы при превышении током эмиттера граничного значения скорость

нарастания амплитуды автоколебаний определяется суммарной амплитудой ударных н флуктуационных колебаний, а также зависит от величины отрицательного затухания контура, то есть от превышения величины пускового тока 1; граничного значения ¡¡,

Рие.5

0™й

3

н

1®

пЬ

ЙЬ

Ы^За

;77* пег " 17ЧЙ |Я0 Рис. 6

/, [Мц|

174.1

4 Для снижения влияния УК на чувствительность СПП величину пускового тока , скорость нарастания переднего фронта х импульса тока запуска 1е необходимо выбирать таким образом, чтобы к моменту выполнения условия самовозбуждения /е(0 = /¿> амплитуда УК Л ^ успевала снизиться до значений, меньших чем амплитуда флуктуационных шумов -

5 При экспериментальном исследовании СПП, влияние УК может эффективно оцениваться путем анализа спектра излучения В качестве критерия для оценки уровня УК предлагается использовать заданное выходное соотношение сигнала/шум на выходе, которое определяется путем измерения соотношения амплитуд дискретных и шумовых составляющих спектра излучения СПП

В пятой главе на основе проведенных теоретических исследований и разработанных методик рассмотрены экспериментальные образцы СПП с повышенным потенциалом на биполярных и полевых транзисторах с колебательными контурами на микрополосковых резонаторах, приведены результаты их исследования Предложены варианты практической реализации СПП диапазона СВЧ, рассчитываются основные характеристики, приводятся электрические схемы и результаты экспериментальных исследований

На рис 7 приведена электрическая схема СПП СВЧ автогенератор построен на транзисторе УТ2 С целью обеспечения стабильности работы приемопередатчика с минимальным пусковым затуханием в электрическую схему введен узел стабилизации среднего тока СПП, реализованный на транзисторе УТ1 Регулировка среднего тока СПП, например, путем изменения сопротивления ЯЗ, дает возможность изменять соотношения граничного и пускового токов, и тем сам управлять параметрами приемного режима Поскольку амплитуда стационарных колебаний не зависит от пускового тока, длительность радиоимпульсов и среднюю выходную мощность СПП удается регулировать изменением длительности суперирующих импульсов ГСН (генератор суперирующего напряжения) Постоянная времени цепи автосмещения определяется величиной емкости развязывающего конденсатора С% и входным

Рис 7

сопротивлением автогенератора. Величина постоянной времени цепи автосмешения вы^йрается значительно больше периода суперизации; И работе представлены Структурная схема лабораторного стенда для настройки, топологический чертеж печатной платы СВЧ опытного модуля СИП (рис,8).

Экспериментальные исследования характеристик опытных образцов СПП для системы радиозопдирока-I[ия подтвердили повышение потенциала устройств по отношению к серийному изделию.

Выходная средняя мощность излучения СПП на биполярном транзисторе BFG235 па частоте 1780 МГц составляет 250- 350 мВт при КПД равном 0.3 - 0,4 и реальной чувствительности к запросному сигналу не хуже минус 95дБ/Зт, что па 10 дБ выше параметра серийного образца - интегрального модуля М45302 (минус 85 дБ/Вт и той же средней мощности, по меньшем КПД - 0,15-0,25). Приведены результаты экспериментальных исследований СПП с низким напряжением питания па полевых транзисторах Шотки (1111.11). I [редставлены электрическая схема, жс-пери ментальны с данные для перспективного низковольтного модуля СПП (напряжение питания +5 В) на полевом транзисторе CLY10 на рабочую частоту 1680 МГц. 1I оказано, что по энергетическому потенциалу разработанный СПП на IГГШ не уступает CI II I на биполярном транзисторе.

Осуществлен расчет электрических параметров и показаны результаты экспериментальных исследований СПП, стабилизированных ДР. работающими в диапазоне 9 ГГц. Приведены результаты разработки систем СВЧ связи, построенных па основе CI1П.

В заключении поднелепы итоги диссертационной работы и сформулированы её основные научные и практические результаты, которые вводятся к следующему:

!. Разработана модель расчета ОРХ для определения регенеративных свойств сверхрегеператора в процессе возникновения и установления автоколебаний, Па основе ОРХ формируются требования к параметрам запуска транзисторного СПП для достижения высокой чувствительности в приемном режиме, реализации быстрого установления автоколебаний и достижения максимальной мощности в стационарном режиме.

2. Разработана процедура оценки влияния флуктуации фактора регенерации СПП на полосу пропускания колебательной системы Г|РИ токах транзистора* близких и равных граничным значениям, получены выводы об определяющем характере этого процесса в формировании полосы пропускания. I Ipoведена количественная оценка предельной чувствительности при учете тепловых и дробовых шумов, присутствующих в контуре CI М !.

3. Выполнены исследования модели СПП с переменным затуханием контура при воздействии ФК. 11оказано определяющее влияние параметров передне-

го. 8

го фронта импульсов запуска, поступающих в СПП с частотой суперизации, и соотношения значений пускового и граничного токов на величину полосы пропускания в режиме быстрого установления колебаний

4 Разработана модель СПП с переменным затуханием контура при воздействии УК Компьютерное моделирование процесса развития колебаний в системе позволило уточнить механизм формирования УК, получить количественные оценки амплитуды УК в контуре сверхрегенератора Сформулированы требования к форме и скорости нарастания переднего фронта запускающих импульсов, амплитуде пускового тока с целью уменьшения влияния УК на реальную чувствительность СПП Предложена методика экспериментальной оценки уровня УК при заданном соотношении сигнал/помеха на выходе СПП

5 Созданы экспериментальные образцы СПП на биполярных и полевых транзисторах с микрополосковыми и диэлектрическими резонаторами, работающие в СВЧ диапазоне Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, использованы для разработки усовершенствованных СПП с повышенным потенциалом для аэрологических радиозондов и систем связи Практические рекомендации по повышению уровня технологического производства аэрологических радиозондов используются в серийном производстве на следующих предприятиях ОАО «УПП «Вектор», г Екатеринбург, ОАО «Метео», г Екатеринбург, ОАО «Радий», г Касли, ФГУП «Комет», г Долгопрудный Получены патенты РФ на отдельные конструкции и технические решения СВЧ-автогенераторов и СПП с повышенными выходными характеристиками

В приложении приведен список условных обозначений и аббревиатур, встречающихся в тексте диссертации, а также копии актов внедрения в производство разработанных СПП с повышенным потенциалом

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1 Кудинов С И Анализ влияния расстройки эмиттерного контура на параметры СВЧ-автогенератора / В Э Иванов, С И Кудинов // Электронная техника межвуз сб науч тр под ред ДВ Андреева Ульяновск УлГТУ, 2002 С 81-89

2 Кудинов С И Некоторые результаты исследования и разработки приемопередающих устройств систем радиозондирования атмосферы / В Э Иванов, С И Кудинов, В Н Горбатюк // Вестник УГТУ - УПИ Сер радиотехническая Теория и практика сложных радиотехнических систем 2003 №9(29) С 64-71

3 Кудинов С И Некоторые результаты разработки средств радиозондирования атмосферы / В Э Иванов, С И Кудинов, В Н Горбатюк, Г П Менщиков // Вестник УГТУ - УПИ Сер радиотехническая 50-летие радиотехнического образования на Урале 2004, №20 (50) С 119-125

4 Кудинов С И Сверхрегенеративные приемопередатчики в системах передачи информации и обнаружении объектов /СИ Кудинов, В Э Иванов // Вестник УГТУ - УПИ Сер радиотехническая Проектирование и анализ радиотехнических и информационных систем 2004, №18(48) С 22-30

5 'Кудинов С И Моноимпульсная РЛС с бортовым сверхрегенеративным ответчиком /СИ Кудинов, В Э Иванов // Вестник УГТУ - УПИ Сер радиотехническая Теория и практика радиолокации земной поверхности 2005, №19(71) С 106-110

6 Кудинов С И Исследование обобщенной регенеративной характеристики транзисторного СВЧ-автогенератора /СИ Кудинов, В Э Иванов // «СВЯЗЬП-РОМ 2006» тр межд науч -практич конф на III Евро-Азиатского форуме «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006» (Екатеринбург, 3-5 мая 2006) ЗАО «Компания Реал -Медиа», 2006 С 106-108

I Иванов В Э Полупроводниковый передатчик когерентного запросного сигнала аэрологической РЛС / В Э Иванов, С И Кудинов // «СВЯЗЬПРОМ 2006» труды межд науч - практич конф на III Евро-Азиатского форуме «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006» (Екатеринбург, 3-5 мая 2006) ЗАО «Компания Реал - Медиа», 2006 С 100-102

8 Кудинов С И Сверхрегенеративные приемопередатчики на полевых транзисторах / В Э Иванов, С И Кудинов // «СВЯЗЬПРОМ 2006» тр межд науч -практич конф на III Евро-Азиатского форуме «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006» (Екатеринбург, 3-5 мая 2006) ЗАО «Компания Реал - Медиа», 2006 С 97-99

9 Патент РФ на изобретение №2212090 1Ш С1 7 Н 03 В 5/18 Высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик Иванов В Э , Кудинов СИ// Приоритет от 26 12 2001 г БИ «Изобретения Полезные модели» №29 от 20 10 2003 г

10 Патент РФ на изобретение №2210144 1Ш С2 7 Н 01 Р 3/08 Высокостабильный микрополосковый конструктив Кудинов С И , Иванов В Э , Ненашева Е А , Малыгин ИВ// Приоритет от 05 04 2001 г БИ «Изобретения Полезные модели» №29 от 20 10 2003 г.

II Патент на полезную модель №41375 1Ш Ш в 01 Я 7/285Высокостабильный приемник СВЧ-сигналов с амплитудно - и частотно-импульсной модуляцией / Кудинов С И, Иванов В Э // Приоритет от 25 05 2004 г БИ №29 от 20 10 2004 г

12 Патент на полезную модель № 40493 1Ш 1Л 70 01 Б 7/285 Сверхрегенеративный приемник с высокостабильным резонатором / Кудинов С И , Иванов В Э И Приоритет от 28 05 2004 БИ №25 от 10 09 2004

*- статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

Подписано в печать 16 апреля 2007 г Бумага писчая Плоская печать Формат 60 х 84'Аб Уел - изд л 1,2 Тираж 100 экз Заказ №_153_

Отпечатано типография ООО «Издательский до «Ажур» 620028 г Екатеринбург, ул Нагорная 11

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТАПАРАМЕТРОВ СИП И ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1.1. Описание принципов работы СПП.

1.2. Обоснование выбора математической модели СВЧ-автогенератора СПП.

1.3. Анализ режимов работы транзистора автогенератора СПП.

1.4. Анализ влияния флуктуационных шумов, действующих в приемном режиме.

1.5. Обзор методов исследования ударных колебаний в контуре СПП.

1.6. Выводы.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОБЩЕННОЙ РЕГЕНЕРАТИВНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

2.1. Методика расчета регенеративной характеристики.

2.2. Расчет малосигнальной регенеративной характеристики.

2.3. Расчет динамической регенеративной характеристики.

2.4. Расчет обобщенной регенеративной характеристики.

2.5. Выводы.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФЛУКТУАЦИОННЫХ ШУМОВ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ПОЛОСУ ПРОПУСКАНИЯ СПП.

3.1. Анализ воздействие флуктуационных колебаний на параметры СПП.

3.2. Количественная оценка уровня флуктуаций тока транзистора в режиме запуска.

3.3. Исследование флуктуаций полосы пропускания СПП в граничном режиме.

3.4. Исследование влияния режимного тока запуска на амплитуду флуктуационных колебаний и полосу пропускания СПП.

3.5. Выводы.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УДАРНЫХ КОЛЕБАНИЙ НА РЕ

АЛЬНУЮ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СПП.

4.1. Моделирование ударных колебаний.

4.2. Моделирование суммарного воздействия ударных и флуктуационных колебаний.

4.3. Выводы.

5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СВЕРХРЕГЕНЕРАТИВНЫХ ПРИЕМОПЕРЕДАТЧИКОВ.

5.1. Особенности расчета СПП на биполярных транзисторах.

5.2. Методика расчета основных электрических параметров СПП.

5.3. Описание конструкций и методов измерения выходных параметров опытных образцов СПП аэрологических радиозондов.

5.4. Особенности построения СПП на полевых транзисторах.

5.5. Разработка СПП, стабилизированного диэлектрическим резонатором.

5.6. Результаты применения СПП в радиотехнических системах связи.

5.7. Выводы.

Актуальность темы. Сверхрегенеративные усилители (СУ), с момента их изобретения в 1922 году [1], в силу их очевидных достоинств - высокой чувствительности, большого усиления в широком диапазоне частот, малых габаритов, простоте конструкции, экономичности получили широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах в качестве приемных устройств коротковолновых линий связи, первых образцов радиолокаторов, радиовзрывателей, радиомаяков и т.д.

Результаты исследований, опубликованные в трудах Whitehead I.R., В.Томсона, Г.С.Горелика и Г.М.Гинца [2 - 6], позволили, в частности, выяснить основные особенности работы СУ в линейном и нелинейном режимах, установить факторы, определяющие формирование гребенчатой амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и явление кратного резонанса. Исследование классического СУ при воздействии внешних шумов и импульсных сигналов было выполнено Л.С.Гуткиным [7 - 9]. В трудах В.Я.Хевролина [10], Г.Б.Ольдерроге [11], Д.Д.Кловского [12] были получены оригинальные результаты решений математических моделей СУ. В 60-е годы сформировалось направление исследований связанное с изучением параметрических СУ используемых в качестве параметронов и квантователей фазы узкополосных сигналов выполненных С.А.Ахмановым, В.П.Комоловым и И.Т.Трофименко [13 - 15]. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований классических СУ было опубликовано в монографии М.К.Белкина [16]. Дальнейшее развитие теории и практики СУ получило в трудах Г.И.Кравченко и его сотрудников [17 - 22]. В монографии [22] обобщены новые результаты исследования СУ. В рамках метода медленно меняющихся амплитуд разработан и предложен метод частичного укорачивания для решения дифференциального уравнения СУ. Предложены математические модели классического и параметрических СУ при однократном и многократном запусках. Развита теория ударных колебаний (УК) в СУ, предложены методы их оценки. В работе приведены примеры оригинальных разработок радиотехнических систем на основе применения СУ.

Одновременно с исследованием СУ другими специалистами проводились работы по применению СУ в качестве сверхрегенеративных приемопередатчиков (СПП). В монографии А.Ф.Кузенкова и В.Н.Ермакова опубликованы результаты широкого применения ламповых СПП в составе аэрологических радиозондов [23]. Весьма эффективным оказалось применение бортовых СПП в отечественных системах радиозондирования атмосферы для измерения наклонной дальности, угловых координат и передачи телеметрической информации. Максимальная дальность и надежность работы канала связи определяются параметрами СПП: чувствительностью в приемном режиме, мощностью излучаемых радиоимпульсов, рассогласованием частот приема и передачи. Отношение величины излучаемой мощности радиоимпульса к величине предельной чувствительности приемного режима СПП определяется как потенциал приемопередатчика.

Однако в известных работах исследования ограничивались качественным анализом и не были представлены количественные оценки для факторов, влияющих на чувствительность приемного режима и излучаемую мощность. Так при попытке создания полупроводникового СПП было установлено, что высокая чувствительность может быть получена только в линейном режиме [24]. При этом уровень выходной мощности, КПД и стабильность работы оказываются низкими.

В исследованиях В.Э.Иванова было показано, что для повышения эффективности работы в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП необходимо осуществить самовозбуждение при минимальном токе запуска и обеспечить жесткий характер установления автоколебаний [25 - 29]. Это позволяет реализовать оптимальный закон затухания контура в приемном и передающем режимах работы СПП и независимо регулировать их характеристики: полосу пропускания и ширину спектра излучения. При этом высокая стабильность работы СПП обеспечивается путем стабилизации среднего тока СВЧ-автогенератора.

Основываясь на опубликованных результатах важно получить количественные оценки влияния внешних и внутренних факторов на параметры СПП и учесть их при проектировании реальных конструкций. Следует считать актуальным дальнейшее исследование механизма формирования приемного режима СПП с высокой чувствительностью к внешнему сигналу, определение факторов, влияющих на процесс быстрого (жесткого) установления стационарных автоколебаний (перехода в передающий режим). Исследование характеристик СПП в режимах запуска и установления стационарной амплитуды колебаний позволит обоснованно формировать требования к схеме управления и параметрам СВЧ-автогенератора СПП.

Известные результаты позволяют продолжить исследование особенностей работы СПП в декрементном и инкрементном режимах при изменении затухания контура, являющегося функцией тока СВЧ-транзистора. Особый интерес вызывает режим работы СПП при нулевом (граничном) значении затухания. Предельная чувствительность СПП в приемном режиме определяется флуктуационными шумами тока активного прибора и элементов колебательного контура именно при граничном значении затухания. Оценка влияния шумов на параметры СПП в этом режиме позволяет определить реально достижимую чувствительность и эффективную полосу пропускания СПП.

Запуск СПП осуществляется импульсами тока, которые вызывают УК в контуре, оказывающие существенное влияние на снижение реальной чувствительности СПП. Определение условий запуска, при которых достигается минимальный уровень УК, позволит достигнуть гарантированной чувствительности при серийном производстве СПП.

Следует подчеркнуть, что недостатками современных серийно выпускаемых СПП радиозондов на интегральных модулях М45302 являются недостаточно высокая чувствительность к запросному сигналу (минус 85 дБ/Вт), значительное отличие частот приема и передачи (до 15 - 20 МГц), низкий КПД (0,10 - 0,15) [30]. Повышение чувствительности СПП в приемном режиме позволяет значительно увеличить дальность работы канала радиосвязи, а в системах радиолокации с активным ответом в канале «Радиолокатор - радиозонд» существенно снизить требуемую максимальную мощность излучения передатчика запросного сигнала радиолокационной станции. Самостоятельное значение имеет решение задач, связанных с разработкой высокоэффективных СПП для систем аналоговой и цифровой связи.

Таким образом, исследование и разработка методов построения транзисторного СПП с повышенным потенциалом позволит существенно усовершенствовать тактико-технические характеристики систем связи и радиолокации. Поэтому необходимо провести исследования в направлении уточнения особенностей работы СПП путем моделирования режимов его работы и выработки рекомендаций для создания реальных конструкций отвечающих современным требованиям.

Работа выполнялась по направлению исследований и создания технических средств радиозондирования и связи, проводимых на радиотехническом факультете ГОУ ВПО УГТУ-УПИ по постановлению Правительства СССР, целевым программам Росгидромета РФ, заказам предприятий радиотехнического профиля.

Целью работы является разработка методов расчета основных характеристик и создание опытных образцов СПП с повышенным потенциалом.

Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо осуществить:

1. Разработку математической модели расчета обобщенной регенеративной характеристики (ОРХ) сверхрегенеративного приемопередатчика, позволяющей определить зависимость регенеративных свойств от управляющих токов, коэффициента обратной связи и импеданса нагрузки, с целью выбора оптимальных условий запуска СПП с быстрым установлением колебаний.

2. Разработку процедуры оценки влияния флуктуаций фактора регенерации СПП на величину полосы пропускания контура в граничном режиме, получение количественных оценок минимально достижимой полосы пропускания в условиях многократного запуска.

3. Провести исследование на основе математической модели СПП с переменным затуханием контура воздействия флуктуационных колебаний (ФК) на чувствительность сверхрегенеративного приемопередатчика для различных режимов запуска.

4. Разработку математической модели СПП с переменным затуханием контура, учитывающей воздействие УК, определение условий снижения амплитуды УК в приемном режиме и создание методики экспериментальной оценки их влияния на реальную чувствительность устройства.

5. Создание на основе результатов исследований образцов СПП в диапазоне СВЧ на биполярных и полевых транзисторах с повышенным потенциалом.

Методы исследования (анализа). Поставленные в диссертационной работе задачи решаются методами численного решения неоднородных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, гармонической линеаризации, компьютерного моделирования в пакете МАТЬАВ.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика построения ОРХ, определяющей характер установления и амплитуду стационарных колебаний в СПП для всех возможных значений коэффициента обратной связи, импеданса нагрузки, управляющих пусковых и гармонических токов.

2. Флуктуации фактора регенерации определяют минимальную полосу пропускания и предельную чувствительность СПП в граничном режиме.

3. Скорость нарастания и амплитуда переднего фронта импульсов тока запуска автогенератора, величина собственного затухания контура, закон изменения затухания контура в приемном режиме должны быть взаимно согласованы с целью снижения амплитуды УК и соответствующего увеличения предельной чувствительности СПП.

Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований.

1. Обосновано использование ОРХ для исследования процесса установления автоколебаний, выбора основных параметров СПП для повышения энергетического потенциала - достижения предельной чувствительности и максимальной выходной мощности излучения.

2. Установлена количественная зависимость минимальной величины полосы пропускания колебательного контура от уровня флуктуаций пускового тока и фактора регенерации СПП в граничном режиме для оценки предельной чувствительности.

3. Разработана методика количественной оценки чувствительности СПП при изменяющемся затухании контура с учетом влияния дробовых флуктуаций тока запуска и тепловых шумов на основе математической модели СПП в линейном режиме.

4. Разработана методика количественной оценки УК на основе линейной математической модели СПП, учитывающей воздействие УК, при изменяющемся затухании контура, определены условия минимального влияния амплитуды УК на чувствительность и режимы работы СПП.

Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты использованы для создания образцов транзисторных СПП диапазона СВЧ с повышенным потенциалом.

1. Разработанная в диссертационной работе методика выбора на основе расчета ОРХ величин граничного значения тока эмиттера и стационарной амплитуды автоколебаний, сопротивления нагрузки для формирования быстрого установления автоколебаний позволяет повысить эффективность проектирования при создании опытных образцов СПП.

2. Созданное программное обеспечение для построения ОРХ, определения уровня ФК и УК в контуре позволяет анализировать работу СПП на выбранных разработчиком СВЧ-транзисторах и дает существенное сокращение объема экспериментальных исследований при проектировании устройства.

3. Определены требования к форме переднего фронта и амплитуде импульсов запуска автогенератора СПП, непосредственно влияющие на выбор схемотехнического решения генератора суперирующего напряжения, что уменьшает время проектирования устройства.

4. Разработанные транзисторные СПП, имеющие повышенные чувствительность, мощность, стабильность частоты, меньшую величину рассогласования частот приема и передачи, по сравнению серийными прототипами позволяют повысить технические характеристики устройств систем связи и радиозондирования.

5. Созданный технологический стенд и методика настройки СПП позволяют устанавливать оптимальные параметры запуска, выбранные по рассчитанной ОРХ. Обеспечить максимальные значения реальной чувствительности и выходной мощности радиоимпульсов, а также повторяемость выходных параметров СПП при серийном производстве.

Внедрение научных результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы, реализованные в конструкции СПП, внедрены в опытно-конструкторские работы и серийное производство аэрологических радиозондов и радиолокаторов на предприятиях ОАО «УПП «Вектор» г. Екатеринбург, ОАО «Радий» г. Касли. Получены акты внедрения разработанных опытных СПП.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором, обсуждались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях и семинарах: «Системы радиоэлектроники, связи и управления» per. НТК Екатеринбург, 1992; «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» III Всероссийская НТК (с участием стран СНГ), Ульяновск, УлГТУ, 2001; «СВЯЗЬ-ПРОМ 2006» межд. НТК III Евро-Азиатский форум «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006», Екатеринбург, 2006, (3 доклада); «Наука, инновации и образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», межд. НТК, Екатеринбург, УрГУПС, 2006 (2 доклада); «Наука-Образование-Производство: Опыт и перспективы развития», per. НТК, Н. Тагил, ГОУ УГТУ-УПИ Нижнетагильский технологический институт, февраль, 2007.

Публикации по теме диссертации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 12 печатных работах, из них 5 статей, в том числе 4 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и в 4 патентах.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 64 наименований, 2 приложений, изложена на 158 страницах машинописного текста, в котором приведено 52 рисунка и 1 таблица.

5.7. Выводы

1. Проведены исследования и рассмотрены направления для дальнейшего повышения выходных характеристик СПП на основе использования высокоэффективных СВЧ полупроводниковых приборов и новых диэлектрических СВЧ-материалов для стабилизации частоты приема и излучения.

2. Приведены результаты разработки СПП аэрологического радиозонда с повышенным потенциалом:

- уровень импульсной выходной мощности транзисторного СПП для радиозонда составляет Дых и >1,5 Вт при длительности радиоимпульсов т и ср >0,25 мкс и имеет КПД 35%, что превышает показатели серийного изделия (15-20 %);

- чувствительность модуля СПП для системы радиозондирования на рабочей частоте 1680 МГц повышена до уровня #пр < - 95 дБ/Вт.

3. Полученные в результате разработки экспериментальных образцов СПП для радиозондов уровни импульсной и средней мощности, а также длительности излучаемых СПП радиоимпульсов, позволяют обеспечить дальность действия радиоканала «РЛС - радиозонд» до 200 км и более.

4. Приведены результаты разработки экспериментальных конструкций приемопередающих систем на основе сверхрегенеративных приемопередатчиков с повышенным потенциалом для устройств связи, показана структура комплекса специальной технологической аппаратуры для эффективной настройки СПП, предложена методика для измерения и настройки выходных параметров СПП для отечественных радиозондов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итоги диссертационной работы и основные научные и практические результаты можно свести к следующему:

1. Разработана модель расчета ОРХ для определения регенеративных свойств сверхрегенератора в процессе возникновения и установления автоколебаний. На основе ОРХ формируются требования к параметрам запуска транзисторного СПП для достижения высокой реальной чувствительности в приемном режиме, реализации быстрого установления автоколебаний и достижения максимальной мощности в стационарном режиме.

2. Разработана процедура оценки влияния флуктуаций фактора регенерации СПП на полосу пропускания колебательной системы при токах транзистора, близких и равных граничным значениям, получены выводы об определяющем характере этого процесса в формировании полосы пропускания. Проведена количественная оценка предельной чувствительности при учете тепловых и дробовых шумов, присутствующих в контуре СПП.

3. Выполнены исследования модели СПП с переменным затуханием контура при воздействии флуктуационнных колебаний. Показано определяющее влияние параметров переднего фронта импульсов запуска, поступающих в СПП с частотой суперизации, и соотношения значений пускового и граничного токов на величину полосы пропускания в режиме быстрого установления колебаний.

4. Разработана модель СПП с переменным затуханием контура при воздействии УК. Компьютерное моделирование процесса развития колебаний в системе позволило уточнить механизм формирования УК, получить количественные оценки амплитуды УК в контуре сверхрегенератора. Сформулированы требования к форме и скорости нарастания переднего фронта запускающих импульсов, амплитуде пускового тока с целью уменьшения влияния УК на реальную чувствительность СПП. Предложена методика экспериментальной оценки уровня УК при заданном соотношении сигнал/помеха на выходе СПП.

5. Созданы экспериментальные образцы СПП на биполярных и полевых транзисторах с микрополосковыми и диэлектрическими резонаторами, работающие в СВЧ диапазоне. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные в работе, использованы для разработки усовершенствованных СПП с повышенным потенциалом для аэрологических радиозондов и систем связи. Практические рекомендации по повышению уровня технологического производства аэрологических радиозондов используются в серийном производстве на следующих предприятиях: ОАО «УПП «Вектор», г. Екатеринбург; ОАО «Метео», г. Екатеринбург; ОАО «Радий», г. Касли, ФГУП «Комет», г. Долгопрудный. Получены патенты РФ на отдельные конструкции и технические решения СВЧ-автогенераторов и СПП с повышенными выходными характеристиками.

1. Armstrong Е.Н. Some recent developments in regenerative circuits / E.H. Armstrong // Proc. IRE, 1922, №8.

2. Whitehead I.R. Super-Regenerative Receivers / I.R. Whitehead // Cambridge University Press, 1950.

3. Томсон Д.Н. Суперрегенеративные усилители на сантиметровых волнах / Д.Н.Томсон // Зарубежная радиоэлектроника, 1962. №8, с.105-121.

4. Горелик Г.С. Исследование суперрегенеративного приемника метровых волн / Г.С. Горелик, Г.М. Гинц // Техника радио и слабого тока, 1932. №12.

5. Горелик Г.С. К теории супергетеродинного приемника / Г.С. Горелик //ЖТФ, 1933, вып.1.

6. Горелик Г.С. Линейные резонансные явления в суперрегенеративном приемнике / Г.С. Горелик // Электросвязь, 1939. №6.С. 29-49.

7. Гуткин Л.С. Действие помех на суперрегенератор / Л.С. Гуткин //41. Радиотехника, 1946. Т.1, №9. С. 40-62.

8. Гуткин Л.С. Действие помех на суперрегенератор. 42, // Радиотехника, 1947. Т.2, №4. С. 24-45.

9. Гуткин Л.С. Действие помех на суперрегенератор. 43, // Радиотехника, 1949. Т.4, №1. С. 62-76.

10. Ю.Хевролин В. Я. К теории суперрегенератора, работающего в линейном режиме / В. Я. Хевролин // Радиотехника, 1958. Т.З, №1. С. 4055.

11. П.Ольдерогге Г.Б. Реакция сверхрегенератора на внешнюю ЭДС непрерывного и импульсного характера / Г.Б. Ольдерогге // Радиотехника, 1959, Т.З, №10.С.32-41.

12. Кловский Д.Д. О решении дифференциального уравнения сверхрегенератора / Д.Д. Кловский // Изв. вузов. Радиотехника, 1959. №1. С. 71-79.

13. Ахманов С.А. Переходные процессы в троичном параметроне / С.А.Ахманов, В.П.Комолов, A.C. Рошаль // Радиотехника, 1967, №5.87 с.

14. Комолов В.П. Диапазонный квантователь фазы несинхронного сигнала / В.П. Комолов, В.Ю.Маслов, И.Т. Трофименко // Изв.вузов СССР, Радиофизика, 1969, №12.- 12 с.

15. Комолов В.П. Квантование фазы при обнаружении радиосигналов / В.П. Комолов, И.Т. Трофименко // М.: Сов.радио,1976.- 124 с.

16. Белкин М.К. Сверхрегенеративный радиоприем / М.К. Белкин // Киев: Техника, 1968, 202 с.

17. П.Кравченко Г.И. Ударные колебания и пороговая чувствительность сверхрегенеративных усилителей. / Г.И. Кравченко, Ф.В. Марков, B.JI. Гуревич и др. // Радиотехника, 1973, №6 с.15.

18. Кравченко Г.И. Обнаружение сигналов с помощью параметрического генератора / Г.И. Кравченко, Ф.В. Марков // Изв.вузов СССР. Радиофизика, 1973,№11.-с.1703.

19. Кравченко Г.И. Обоснование метода частичного укорачивания / Г.Я.Карасик, Г.И. Кравченко, В.Ф.Марков // Радиотехника и электроника, 1974. Т. 19, №8. С. 1775-1777.

20. Кравченко Г.И. Исследование сверхрегенеративного обнаружителя сигналов / Г.И. Кравченко, Ф.В. Марков, Л.П. Мочалина // Радиотехника, 1976, №5.-с. 14.

21. Кравченко Г.И.Сверхрегенеративный обнаружитель / Г.И. Кравченко, В.Л.Гуревич, Л.П. Мочалина // Радиотехника, 1979, №9 с.50.

22. Кравченко Г.И. Сверхрегенераторы / М.К.Белкин, Г.И.Кравченко, Ю.Г. Скоробутов, Б.А. Стрюков ; под ред. М.К. Белкина // М.: Радио и связь, 1983,248 е.; ил. С. 125-127.

23. Ермаков В.И. Системы зондирования атмосферы / В.И.Ермаков,

24. A.Ф. Кузенков, В.А. Юрманов // Л.: Гидрометиздат, 1977. 304 с.

25. Гайнанов Х.Н. Экспериментальное исследование транзисторного сверхрегенератора СВЧ диапазона / Х.Н. Гайнанов, Е.М. Плотников // Вопросы оптимизации электронной аппаратуры. Труды УПИ им. С.М.Кирова, сб. №228, Свердловск, 1974, с 11-161.

26. Иванов В.Э. Исследование механизма вторичной реакции сверхрегенеративного приемопередатчика / В.Э. Иванов // Рукопись деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 15 дек. 1979, № ДР1243. Свердловск, 1979.21 с.

27. Иванов В.Э. Некоторые вопросы теории и практики сверхрегенеративного приемопередатчика / В.Э. Иванов // Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 3 апреля 1981, №ДР 1544. Свердловск, 1981. 15 с.

28. Иванов В.Э. Исследование регенеративной характеристики транзисторного СВЧ-автогенератора / В.Э. Иванов // Радиотехнические системы локации пространственно-распределенных объектов. Свердловск, 1981. Вып. 4. С 93-99.

29. Иванов В.Э. Исследование динамической регенеративной характеристики транзисторного СВЧ-автогенератора / В.Э. Иванов // Рукопись деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 5 июня 1981, № ДР1565. Свердловск, 1981. 13 с.

30. Иванов В.Э. Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств / В.Э. Иванов, М.Б. Фридзон, С.П. Ессяк ; под ред.

31. B.Э.Иванова // Екатеринбург, 2004. 596 с.

32. Аронов В.Д. Нелинейная модель генераторного СВЧ-транзистрора / В.Д. Аронов., Ю.Н. Савельев, И.П. Милютина // Электронная промышленность, 1975, вып. №10 (46). С. 12-17.

33. Аронов B.JL, Быструшкин Ю.П., Гайнанов Х.Н., и др. Интегральный транзисторный СВЧ автогенератор для передатчика аэрологического радиозонда с выходной мощностью 0,6 Вт на частоте 1,78 ГГц // Электронная техника. 1976. Сер. 11. Вып. 6. С. 46-51.

34. Евтянов С.И. Ламповые генераторы / С.И. Евтянов // М.: Связь, 1967. -384 с.

35. Евтянов С.И. О связи между символическими и укороченными уравнениями / С.И. Евтянов // Радиотехника. 1946.41, №1. С. 43 51.

36. Аронов В.Л. Расчет нелинейного режима работы генераторного СВЧ-транзистора в схеме с общей базой / В.Л. Аронов // Электрон, техника. 1973. Сер. 2. С. 34-47.

37. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем / И.П. Степаненко // М.: Энергия, 1977. 671 с.

38. Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов / Н.С. Спиридонов // Киев: Техника, 1975. 306 с.

39. Данилин В.Н. Исследование механизма спада усиления транзистора при увеличении тока эмиттера / В.Н. Данилин, А.Л. Филатов, A.A.

40. Чернявский // Полупроводниковые приборы и их применение // Под ред. А.Я. Федотова. М.: Сов. радио, 1969. С.118-140.

41. Аронов B.JI. Анализ генераторных параметров при проектировании мощных СВЧ-транзисторов / B.JI. Аронов // Электрон, техника. 1978. Сер.2. Вып.2 (120). С. 122-132.

42. Van der Ziel A. shot noise in transistors / A. Van der Ziel // Proc. IRE, 48, 1960, p. 114-115.

43. Букингем M. Шумы в электронных приборах и системах / Букингем М. // Пер. с англ.; М.: Мир, 1986.-399 с. С.11.

44. Hall R.N. Electron-hole recombination in germanium / R.N. Hall // Phys. Rev, 1952, 387 p.-p.87.

45. Shockley W. Statistics of recombination of holes and electrons / W. Shockley, W.T.Read Jr. // Phys. Rev. 87, p.835-842.

46. Николаевский И.Ф. Параметры и предельные режимы работы транзисторов / И.Ф. Николаевский, Д.В.Игумнов // М.: Изд. «Советское радио», 1971, 384 с, С. 122-125.

47. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах / А.Н. Малахов // М.: «Наука», Гл. ред. физ.-мат. лит, 1967 660 с.

48. McGregor Sub Milli-Watt, 2.4 GHz, Super-Regenerative Transceiver with Ultra Low Duty Cycle / McGregor, E.Wasige and I. Thayne // Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, 2006, December 12-15, p.454-458

49. А. Кудинов С.И. Исследование обобщенной регенеративной характеристики транзисторного СВЧ-автогенератора / С.И.Кудинов,

50. B.Э.Иванов // «СВЯЗЬПРОМ 2006»:Тр. межд. науч.- практич. конф. на III Евро-Азиатского форуме «СВЯЗЬПРОМЭКСПО 2006» (Екатеринбург, 3-5 мая 2006). ЗАО «Компания Реал Медиа », 2006. С .106-108.

51. А. Кудинов С.И. Моноимпульсная РЛС с бортовым сверхрегенеративным ответчиком / С.И.Кудинов, В.Э.Иванов // Вестник УГТУ -УПИ. Теория и практика радиолокации земной поверхности: Сер. радиотехн. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ УПИ, 2005, №19(71).1. C.106-110.

52. А. Кудинов С.И.Анализ влияния расстройки эмиттерного контура на параметры СВЧ-автогенератора / В.Э.Иванов, С.И.Кудинов // Электронная техника: Межвуз. сб. науч. тр. Под ред. Д.В. Андреева. Ульяновск: УлГТУ, 2002. С.81-89.

53. А. Кудинов С.И. Сверхрегенеративный приемник с высокостабильным резонатором / С.И.Кудинов, В.Э.Иванов // Патент на полезную модель № 40493. Приоритет от 28.05.2004. Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №25 от 10.09.2004.

54. А. Кудинов С.И. Высокостабильный импульсный СВЧ-передатчик. / В.Э.Иванов, С.И.Кудинов // Патент РФ на изобретение №2212090. Приоритет от 26.12.2001 г. Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №29 от 20.10.2003 г.

55. А. Кудинов С.И. Высокостабильный микрополосковый конструктив / С.И.Кудинов, В.Э.Иванов, Е.А.Ненашева, И.В.Малыгин // Патент РФ на изобретение №2210144. Приоритет от 05.04.2001 г. Официальный бюллетень «Изобретения. Полезные модели» №29 от 20.10.2003 г.

56. А работы автора диссертации.