Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Параметры втсп узкополосных фильтров, изготовленных по тонко- и толстопленочной технологиям 17
1.1 Базовый элемент ВТСП полосовых фильтров 17
1.2 Требования, предъявляемые к узкополосным ВТСП фильтрам в ВЧ диапазоне 19
1.3 Резонансные структуры ВЧ диапазона, изготовленные на основе ВТСП типа YBaCuO 23
1. 3.1 Характеристики существующих образцов неперестраиваемых узкополосных ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне 25
1.3.2 Расчет номиналов элементов базовой ВТСП структуры 34
1.3.3 Возможные пути понижения резонансной частоты тонкопленочных ВТСП структур 42
1.4 Добротность ВТСП резонансных фильтров 4 4
1.4.1 Виды потерь в ВТСП структурах 44
1.4 .2 Остаточное сопротивление ВТСП в ВЧ диапазоне 45
1.4.3 Влияние технологических особенностей процесса получения сверхпроводника на добротность ВТСП колебательного контура 52
1.4.4 Активные потери, связанные с формированием рисунка на ВТСП 55
1.4.5 Диэлектрические потери в устройствах с применением ВТСП 61
1.4.6 Излучение ВТСП колебательных контуров в ВЧ диапазоне радиоволн 64
1.4.7 Потери в обычных проводниках при температуре жидкого азота и контактах ВТСП - обычный проводник 68
1.4.8 Влияние входных и выходных цепей на добротность колебательного ВТСП контура 71
1.4.9 Критический ток в ВТСП 84
1.4.10 Влияние геометрии ВТСП резонансного фильтра на его добротность 87
1.4.11 Достижимые значения добротности ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн 90
Выводы и результаты 92
ГЛАВА 2. Возможности построения узкополосного перестраиваемого в широкой полосе частот ВТСП фильтра 94
2.1 Принципиальная схема и конструкция перестраиваемого ВТСП фильтра 94
2.2 Расчет номиналов принципиальной схемы перестраиваемого ВТСП полосового фильтра 97
2.3 Параметры перестраиваемого ВТСП контура, включающего в себя две базовых структуры 103
2 4 Управление параметрами ВТСП фильтра 110
2.5 Экспериментальный макет ВТСП полосового
перестраиваемого фильтра 125
Выводы и результаты 131
ГЛАВАЗ. Эффективность практического использования преселектора в составе системы совместно с приемным устройством 133
3.1 Чувствительность и односигнальная частотная избирательность РПУ с ВТСП преселектором 133
3.2 Динамический диапазон по интермодуляции РПУ без преселектора и в составе системы с преселектором 139
3.3 Динамический диапазон по частичному блокированию РПУ с ВТСП преселектором 144
3.4 Динамический диапазон по полному блокированию РПУ с преселектором 147
3.5 Влияние ВТСП преселектора на ослабление чувствительности РПУ по зеркальным каналам и каналам промежуточных частот 149
3.6 Эффективность использования преселектора в составе системы: преселектор + УРЧ + РПУ 150
Выводы и результаты 152
Заключение 155
Литература
- Резонансные структуры ВЧ диапазона, изготовленные на основе ВТСП типа YBaCuO
- Расчет номиналов принципиальной схемы перестраиваемого ВТСП полосового фильтра
- Динамический диапазон по интермодуляции РПУ без преселектора и в составе системы с преселектором
- Динамический диапазон по полному блокированию РПУ с преселектором
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию возможности построения узкополосного (отношение центральной частоты к полосе пропускания до 105) перестраиваемого преселектора на основе резонансного фильтра с сосредоточенными параметрами, выполненного с использованием материалов, обладающих эффектом высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в декаметровом диапазоне радиоволн (так же именуемом как ВЧ) . В качестве основной области применения таких фильтров рассматривается узкополосная преселекция на входе коротковолновых (KB) радиоприемных устройств (РПУ), работающих на частотах 1-32 МГц.
Актуальность темы.
Необходимость разработки узкополосных перестраиваемых фильтров ВЧ диапазона радиоволн возникает в целом ряде технических приложений - таких, как узкополосная преселекция на входе радиоприемных систем, обеспечение электромагнитной совместимости, фильтрация паразитных гармоник на выходе синтезаторов частот и др. Во многих случаях ширина полосы пропускания такого фильтра должна составлять лишь несколько десятков герц. В частности, для ВЧ диапазона радиоволн (3 -30 МГц) это соответствует отношению центральной частоты к ширине полосы пропускания до 105 - 106 и выше. Достижение столь узкой полосы пропускания фильтра само по себе является трудной научно-технической задачей, которая еще более усложняется при необходимости осуществления управления параметрами фильтрации (такими как частота настройки фильтра, его полоса пропускания, коэффициент передачи и др.). В настоящее время существует несколько типов фильтров, предельно достижимые значения полосы пропускания которых позволяют приблизиться к указанным выше требованиям. В частности достаточно узкую полосу пропускания можно получить у фильтров на основе кварцевых резонаторов, но наряду с достоинствами, к которым относятся высокая стабильность и относительная простота конструкции, фильтры на кварцевых резонаторах обладают значительным недостатком - управление резонансной частотой в них возможно лишь в очень узких пределах. Возможность перестройки центральной частоты в сочетании с узкой полосой пропускания реализуется в резонансных фильтрах с сосредоточенными параметрами, выполненными на основе материалов, обладающих эффектом сверхпроводимости и, в частности, высокотемпературной сверхпроводимости. Фильтры ВЧ диапазона на основе обычных или низкотемпературных (т.е. требующих гелиевого уровня охлаждения 4 К°)сверхпроводников активно исследовались еще в 60-х годах [1] , [2] , [3], [4], [5], [6]. Так сверхпроводящий резонансный колебательный контур с сосредоточенными параметрами, изготовленный из свинцово - ниобиевого сплава на частоте 10 МГц позволяет обеспечить добротность порядка 106 [2, 3, 4] . Применение жидкого гелия требует использования дорогостоящей криогенной техники и значительно усложняет эксплуатацию систем с его применением, что ограничивает практическое применение фильтров на основе низкотемпературных сверхпроводников. Данное обстоятельство, очевидно, явилось причиной, по которой исследованиям в области создания фильтров на основе обычных сверхпроводников в настоящее время уделяется меньшее внимание. Открытие в 1987 году явления высокотемпературной сверхпроводимости, позволяющего использовать в качестве хладагента жидкий азот (77°К) , значительно расширило возможности использования сверхпроводимости в технических системах.
В тоже время применение высокотемпературных сверхпроводников накладывает большое количество ограничений на техническую реализацию устройств на их основе. Это связано как с физическими свойствами ВТСП (наличие остаточной проводимости) , так и с технологическими особенностями их изготовления. В частности следует отметить ухудшение, по сравнению с обычными сверхпроводниками, таких важных характеристик ВТСП, как поверхностное сопротивление и величина критического тока, вызывающего выход из сверхпроводящего состояния. В настоящее время структуры на основе ВТСП могут быть созданы по тонко-, либо толстопленочной технологии. При тонкопленочной технологии конфигурация ВТСП структур ограничивается участком плоской поверхности, при этом их максимальный размер может составлять лишь несколько квадратных сантиметров. Для создания рисунка ВТСП на плоской поверхности применяется травление, которое может нарушить структуру ВТСП, что влечет увеличение поверхностного сопротивления. Также на структуру кристалла ВТСП существенное влияние оказывает материал подложки, на которой выращивается ВТСП. Следует отметить, что толщина получаемых в настоящее время тонких ВТСП пленок меньше глубины проникновения носителей заряда в сверхпроводник, что также уменьшает их поверхностную проводимость. Толстопленочная технология допускает изготовление объемных ВТСП элементов, но в силу особенностей физической структуры материала сверхпроводника (отдельные сверхпроводящие гранулы, объединенные джозефсоновскими переходами) имеет по сравнению с тонкопленочными элементами большие потери и меньшую величину критического тока.
После открытия ВТСП наблюдалось интенсивное использование ВТСП фильтров в СВЧ диапазоне радиоволн, где возможно построение объемных резонаторов. Переход к более низкочастотному диапазону требует создания фильтров с сосредоточенными параметрами. В частности, при переходе в ВЧ диапазон контурная индуктивность должна составлять величину порядка десятков мкГн, при этом полная длина катушки индуктивности может быть более 1-го метра. Создание столь длинного проводника из ВТСП материала при сохранении его свойств является технически сложной задачей. Более просто она решается при толстопленочной технологии изготовления ВТСП, когда паста из- ВТСП материала наносится в углубления на подложке (подложка может быть объемной) и затем спекается при высокой температуре. При этом какие-либо существенные ограничения на форму и размеры ВТСП проводника отсутствуют. В связи с отмеченной особенностью толстопленочной технологии, первоначальные работы в области разработки фильтров в ВЧ диапазоне проводились именно по этой технологии. Первые сверхузкополосные фильтры были изготовлены с использованием простых сверхпроводников с гелиевым уровнем охлаждения, поэтому попытки повторить их конструкцию с использованием толстопленочпой ВТСП технологии являются самым очевидным решением проблемы узкополосной фильтрации. При тонкопленочной технологии создание длинного проводника из ВТСП материала на плоскости с диаметром 1 - 2 см представляет собой чрезвычайно сложную в техническом плане задачу. Возможно поэтому количество публикаций о ВТСП фильтрах на основе тонкопленочной технологии исчисляется единицами.
Изложенные выше, а также многие другие факторы затрудняют создание резонансных систем на основе материалов, обладающих эффектом ВТСП с параметрами, аналогичными таким же системам на основе обычных сверхпроводников. Исследование достижимых параметров материалов ВТСП и устройств на их основе (в частности - колебательных контуров и резонансных фильтров) является актуальной и новой задачей, об этом говорит тот факт, что в печати до недавнего времени не имелось публикаций о создании фильтров на основе ВТСП в ВЧ
диапазоне, но сейчас в литературе все чаще появляются материалы исследований по сходной тематике [7, 8, 9, 10], что говорит о высокой востребованности таких исследований. Результаты самых последних исследований свойств резонансных структур на основе ВТСП открывают новые области их применения, например очень резкая зависимость резонансной частоты перестраиваемого ВТСП колебательного контура от расстояния (данные исследования более полно описываются далее в настоящей работе) делает возможным создание, в частности, точных датчиков механических перемещений (с точностью до ангстрем). Указанный факт говорит о недостаточной исследованности рассматриваемой тематики и перспективности дальнейших более глубоких исследований свойств резонансных структур на основе ВТСП.
Одним из перспективных направлений использования ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне является узкополосная преселекция радиосигналов на входе радиоприемного устройства (РПУ).
Устанавливаемые непосредственно на выходе антенны (на входе приемника) , подобные преселекторы позволяют значительно увеличить входное отношение сигнал/помеха (С/П) на входе приемного устройства и во многих случаях являются практически единственным возможным способом дальнейшего повышения эффективности радиосистем. Подобные случаи возникают, как правило в приемных системах, когда уровень непреднамеренных внешних помех высок и может на порядки превышать уровень принимаемого сигнала, а также в приемных системах декаметрового и более высокочастотных диапазонах вплоть до СВЧ, когда имеются мощные, специально создаваемые помехи, на порядки превышающие полезный сигнал.
Использование на входе приемника узкополосного управляемого преселектора позволяет избавиться от интермодуляционной помехи, ослабляя сосредоточенную помеху на 50-бОдБ [11].
В ряде работ ранее были рассмотрены вопросы практического применения сверхпроводниковых резонансных фильтров с сосредоточенными параметрами в качестве преселекторов в декаметровом диапазоне [12, 13] . Проведенные исследования показали высокую эффективность сверхпроводникового преселектора при приеме узкополосных сигналов низкого уровня. Преселектор позволил существенно повысить избирательность системы к интермодуляционным помехам. Так для случая, когда ближайшая из двух помех отличалась по частоте на 27кГц подавление преселектором, образованной ими интермодуляционной помехи составило 38 дБ [12]. Применение преселекторов на основе ВТСП, возможно, позволит достичь аналогичных результатов, при том, что ВТСП преселектор имеет гораздо большие возможности широкого практического использования, в отличие от рассмотренных ранее преселекторов на обычных сверхпроводниках. Появившиеся в последнее время публикации о результатах теоретических исследований [14] говорят о высокой эффективности использования ВТСП преселектора в РПУ декаметрового диапазона. В настоящей работе приведены и проанализированы результаты, позволяющие уточнить и дополнить исследования других авторов в этой области, опираясь на экспериментальные данные, полученные с участием автора этой работы на экспериментальном образце ВТСП преселектора и РПУ Р-399А. О перспективности таких исследований может говорить тот факт, что в случае создания образцов перестраиваемых фильтров с полосой пропускания в сотни герц, пригодных для широкого использования, открывается возможность для перехода к следующему поколению РПУ [1] . В таких РПУ можно будет отказаться от супергетеродинной схемы построения приемника в пользу приемника прямого усиления, селекция сигналов в котором будет выполняться на высокой частоте. Такое схемотехническое решение позволит значительно улучшить чувствительность и помехозащищенность РТС.
О перспективности разработки перестраиваемых фильтров ВЧ диапазона может также говорить наличие большого количества публикаций, в которых сообщается о исследованиях в области создания и начале практического применения ВТСП фильтров в более высокочастотных диапазонах. Так, фирмы Conductus, Westinghouse сообщают о применении ВТСП преселекторов в военных СВЧ радиолокационных системах [15]. Компании STI, Wright Labs представляют сверхпроводниковые преселекторы, предназначенные для приемников радиоастрономии [16]. Фирмой Illinis Supercnductor Corporation предлагается применение сверхпроводникового приемного фильтра с добротностью более 40000 для сотовых радиотелефонных систем в стандартах AMPS, NAMPS и DAMPS (используемых в США ) , работающих в диапазоне 824-835 и 845-846.5 МГц [17]. Также сверхпроводниковый преселектор предлагается для использования в более высокочастотном американском стандарте сотовой связи PCS1800 (Superconductor Technologies Inc., Conuctus Inc) [18]. Сообщается о перспективности использования криогенных радиоэлектронных систем в системах радиолокации и РЭП (Northrop Grumman Corporation) [19] . Не так давно появились первые публикации, в которых сообщается о проектировании перестраиваемого в полосе около 30% фильтра в диапазоне 312 -475 МГц [20] с добротностью порядка 20000. Полученные результаты указывают на перспективность работ по созданию фильтров с высокой добротностью на основе ВТСП материалов.
Цель работы
Целью данной работы является исследование возможности построения узкополосных перестраиваемых ВТСП фильтров ВЧ диапазона радиоволн и определение основных факторов, влияющих на их радиотехнические и эксплуатационные параметры; разработка методики расчета и проектирования высокодобротных перестраиваемых фильтров в ВЧ диапазоне; исследование свойств экспериментальных образцов таких фильтров с целью определения их предельных параметров, достижимых на современном уровне развития технологии производства ВТСП структур; исследование влияния преселектора на основе перестраиваемого ВТСП фильтра на характеристики приема радиоприемного устройства (РПУ); развитие методик измерения параметров сверх узкополосных фильтров и использующих их радиотехнических систем.
Решение научной задачи, соответствующей поставленной цели, включает в себя рассмотрение следующих вопросов:
Теоретический анализ возможности построения и определение предельных достижимых параметров ВТСП фильтров в дека метровом диапазоне радиоволн.
Исследование возможности управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра и его согласования с входными и выходными цепями.
Развитие методов расчета и проектирования перестраиваемых ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне.
Экспериментальное исследование параметров макета фильтра и эффективности применения ВТСП фильтра в качестве преселектора в радиоприемных устройствах KB диапазона.
Краткое содержание работы. Диссертация состоит из трех глав, введения и заключения.
В первой главе формулируются требования к параметрам ВТСП фильтров ВЧ диапазона с учетом возможных областей их применения и приводятся результаты оценки максимальной добротности ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне, достижимой на современном уровне развития технологии. Приводятся и анализируются экспериментальные данные по изготовленным различными методами ВТСП пленочным элементам фильтров. Даются оценочные значения достижимой добротности ВТСП фильтров, полученные как на основе анализа и систематизации опубликованных данных, так и с помощью теоретических исследований и обработки экспериментальных данных. Рассматриваются различные варианты толсто- и тонкопленочного исполнения ВТСП элементов высокодобротного фильтра, анализируются особенности их конструктивного исполнения. Теоретически и экспериментально обосновывается выбор наиболее оптимальных схемы и метода изготовления ВТСП пленочных элементов конструкции высокодобротного фильтра с точки зрения предельно достижимых параметров фильтра.
Во второй главе рассматриваются вопросы управления параметрами высокодобротного ВТСП фильтра. Предлагаются методы расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров. Рассматриваются доступные для реализации на современном уровне развития технологии способы управления резонансной частотой, полосой пропускания, коэффициентом передачи и динамическим диапазоном ВТСП фильтра в ВЧ диапазоне. Анализируются возможные конструктивные схемы перестраиваемого ВТСП фильтра. Рассматриваются вопросы согласования высокодобротного фильтра при включении в радиотракт и влияние входных и выходных согласующих цепей на его основные параметры (полоса пропускания, резонансная частота, динамический диапазон, коэффициент передачи) во всем диапазоне перестройки ВТСП фильтра по частоте.
В третьей главе приводится анализ результатов, полученных при комплексных испытаниях перестраиваемого высокодобротного фильтра на основе тонких ВТСП пленок как самостоятельного устройства, так и в составе макета преселектора, работающего совместно с радиоприемным устройством Р-399А. Приведен и проанализирован большой объем экспериментальных данных по влиянию такого преселектора на основные параметры (чувствительность, избирательность, динамический диапазон по блокированию, динамический диапазон по интермодуляции и т.п.) радиоприемной системы в целом. Практически обоснованны и скорректированы сделанные ранее другими авторами [14] теоретические выводы о целесообразности и эффективности применения высокодобротных ВТСП фильтров для преселекции принимаемых радиосигналов в ВЧ диапазоне.
Научная новизна работы состоит в оценке предельных параметров ВТСП фильтров ВЧ диапазона, достижимых на современном уровне развития технологии; анализе новых экспериментальных данных по свойствам ВТСП толстых и тонких пленок в ВЧ диапазоне; теоретическом и экспериментальном обосновании выбора типа конструкции и метода изготовления ВТСП фильтров, обладающих максимальной добротностью; разработке методов управления параметрами ВТСП фильтров; разработке методов расчета и анализа характеристик перестраиваемых ВТСП фильтров; получении и анализе новых экспериментальных данных по характеристикам перестраиваемых и неперестраиваемых ВТСП фильтров в составе радиотехнической системы и влиянии на данные характеристики параметров согласующих цепей; получении и анализе экспериментальных данных, позволяющих практически обосновать эффективность использовании узкополосного перестраиваемого преселектора на основе ВТСП материалов в составе РТС. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
экспериментальной проверкой сделанных теоретических выводов
использованием теоретически обоснованных методов расчета фильтров с сосредоточенными параметрами
Практическая ценность работы состоит в развитии методик проектирования и измерения параметров узкополосных ВТСП колебательных структур в ВЧ диапазоне, обосновании эффективности применения узкополосного перестраиваемого фильтра ВЧ диапазона в составе преселектора РПУ. Так же практическая ценность работы подтверждается востребованностью ее результатов в ходе выполнения ряда НИОКР.
Реализация результатов и предложения об их использовании.
Результаты диссертационной работы получены в рамках выполнения ряда научных программ и грантов Минобразования РФ. Основные результаты работы реализованы в НИОКР "Разрежение-2".
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на 12-ой Международной конференции "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, Крым, Украина, 9-13 сентября 2002г.); Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь - перспективные технологии" (ОАО "Радиофизика", Москва, 2 8 февраля - 2 марта 2003г. и 14-16 декабря 2001г.); 1-ой Международной научно-технической конференции "Физика и технические приложения волновых процессов" (Самара, 10-16 сентября 2001г.); IV-OM международном симпозиуме по электромагнитной совместимости и электромагнитной экологии "ЭМС-2001" (Санкт-Петербург, 19-21 июня 2001г.), Молодежной научно-технической конференции "Радиолокация и связь на пороге третьего тысячелетия" (Москва, 27-29 октября 2000г.); Московской студенческой научно-технической конференции "Радиоэлектроника и электротехника в народном хозяйстве" (Москва, 26-27 февраля 1997г.).
Публикации
По теме диссертации опубликована 21 работа, из них б -статьи в журналах ([21], [22], [23], [24], [25], [26]), 13 тезисов докладов в трудах конференций ([27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]) и 1 патент на изобретение [41].
Резонансные структуры ВЧ диапазона, изготовленные на основе ВТСП типа YBaCuO
Как видно, при изменении только индуктивности полоса контура изменяется с частотой в 4 раза при изменении частоты в 2 раза. Соответственно, при изменении только емкости абсолютная полоса контура остается неизменной во всем частотном диапазоне. Поэтому с точки зрения сохранения постоянства полосы преселєктора во всем частотном диапазоне его перестройки предпочтительным является изменение частоты настройки только изменением емкости.
Перестройка такого фильтра может осуществляться механическим способом за счет перемещения пластин конденсатора либо катушек индуктивности. Подробно возможности перестройки ВТСП фильтров будут рассмотрены в главе 2. Для охлаждения фильтра целесообразно применять жидкий азот, как наиболее распространенный и дешевый хладагент, при температуре которого достигается сверхпроводящее состояние большинства ВТСП соединений.
Таким образом, основным принципиальным ограничением при создании узкополосных фильтров в ВЧ диапазоне является необходимость достижения значений добротности порядка 10 106, что весьма затруднительно даже при использовании материалов, обладающих эффектом ВТСП. Ранее такие значения добротности достигались лишь на контурах с обычной сверхпроводимостью и, соответственно, требующих гелиевого уровня охлаждения ( 4К).
Другой причиной, принципиально затрудняющей создание узкополосных ВТСП фильтров в ВЧ диапазоне (длина волны 10-100м), являются технологические ограничения на размер тонких ВТСП пленок. Максимальный размер таких тонких пленок не превышает 75мм.
Остальные параметры узкополосных ВТСП фильтров либо определяются конструктивными особенностями (способ перестройки частоты, форма АЧХ и т.п.), либо являются типичными для ВТСП материалов, из которых они изготовлены (критическая температура, длина когерентности, глубина проникновения статического магнитного поля, величины критических магнитных полей и т.п.). Специальные требования к этой группе параметров могут предъявляться лишь в ограниченном числе областей применения ВТСП фильтров, обычно же их значения имеет смысл рассматривать лишь для определения их влияния на потери (а, следовательно, и на добротность) в резонансном контуре.
В настоящее время наиболее исследованы ВТСП соединения, содержащие медь и кислород. Температура перехода в сверхпроводящее состояние для некоторых из них показана в Наиболее распространенным ВТСП соединением является YBaCuO, все встречающиеся в литературе сведения о создании резонансных структур в ВЧ диапазоне радиоволн относятся именно к этому материалу. ВТСП керамика YBaCuO обладает резким переходом в сверхпроводящее состояние и достаточно технологична. При температуре жидкого азота ( 77 К) ее поверхностное сопротивление составляет 1 мОм на частоте 10 ГГц [45].
Для определения теоретически достижимой максимальной добротности ВТСП фильтров представляется целесообразным проанализировать параметры описанных в литературе образцов и имеющиеся экспериментальные данные, полученные при участии автора работы в ИФМ РАН и ХГТУР. На основе указанного анализа можно будет сделать выводы о достижимых при существующем уровне технологии параметрах ВТСП резонансных структур и определить меры, позволяющие их улучшить.
Расчет номиналов принципиальной схемы перестраиваемого ВТСП полосового фильтра
Для расчета характеристик многозвенного полосового ВТСП фильтра в соответствии с эквивалентной схемой, рассмотренной ранее (Рис. 2.2), необходимо знать номиналы составляющих ее элементов. Ранее в разделе 1.3.2 уже были рассмотрены способы расчета номиналов элементов базовой ВТСП структуры. Поскольку многозвенная схема состоит из нескольких базовых структур, то для расчета номиналов соответствующих элементов можно воспользоваться приведенными ранее формулами.
Индуктивность Ln+1, зависящая от геометрии ВТСП спиральных катушек на n-ой подложке с базовой структурой определяется выражениями (1.2), (1.3), (1.4).
Межвитковые емкости Cn+i ВТСП катушек индуктивности на п-ой подложке определяются выражениями (1.5) и (1.6).
Индуктивности L nti, зависящие от реактивной части импеданса ВТСП проводников на n-ой подложке можно оценить в соответствии с (1.14), (1.15), (1.16), (1.17).
Для расчета емкостей Сп 1г Сп и Сп з внутренних, внешних и образованных площадями проводников ВТСП катушек индуктивности емкостных площадок можно воспользоваться формулой, описывающей емкость плоского конденсатора [72] : где S - площадь поверхности, образующей обкладки конденсатора (т.е. емкостных площадок или проводников спирали катушки индуктивности), d - расстояние между данными поверхностями, є - относительная диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора, є0=8,85-10"12 Ф/м -электрическая постоянная.
Для определения взаимной индукции двух катушек индуктивности, расположенных на разных подложках, можно воспользоваться формулой [73]:
Входящая в (2.2) взаимная индуктивность М двух нитей тока может быть найдена по формуле: где dl , dl" - элементы длины нитей 1 и 1", D -расстояние между этими элементами, Э - угол между ними. Интегрирование в формуле (2.3) производится сперва по нити 1" при фиксированном положении элемента длины dl , а затем по нити 1 (см. Рис. 2.3).
Для проверки возможности применения выражения (2.3) для расчета взаимной индукции плоских параллельных катушек индуктивности был изготовлен макет колебательного контура, принципиальная схема которого показана на Рис. 2.4.
Плоские спиральные катушки индуктивности L1 и L2 изготовленные из медной проволоки располагались в параллельных плоскостях. При изменении расстояния между ними фиксировалась резонансная частота колебательного контура (Рис. 2.4). Из измеренной резонансной частоты определялась суммарная индуктивность колебательного контура, являющаяся суммой собственных индуктивностеи двух катушек и удвоенного значения их взаимной индукции: L3 = Ll + L2 + 2-M = - —, (2.4) сорС1 где СІ - емкость контурного конденсатора; сор - круговая резонансная частота; Ll, L2 - собственные индуктивности катушек; М - взаимная индукция катушек L1 и L2. Из (2.4) следует, что: 4;Т-Ц-Ц (2.5) М = —2 В таблице Табл. 2.1 представлены значения взаимоиндукции рассматриваемых катушек индуктивности, полученные из экспериментальных данных по формуле (2.5) и рассчитанные теоретически путем численного интегрирования в выражении (2.2). Собственные индуктивности катушек составляли Ы=ЗбмкГн и Ь2=38мкГн, измерения проводились с контурным конденсатором двух номиналов (С1=180пФ и С1=360пФ).
Динамический диапазон по интермодуляции РПУ без преселектора и в составе системы с преселектором
Измерения динамического диапазона приемного устройства по интермодуляции (ДДИ) без преселектора и в составе с преселектором проводились при использовании в качестве приемного устройства Р-399А.
Блок-схемы измерения ДДИ для РПУ Р-399А в составе с преселектором показана на Рис. З.б. Соответственно при измерении ДДИ РПУ Р-399А без преселектора выходы генераторов Г1 и Г2 подключались ко входу РПУ через сумматор, развязывающий выходы генераторов.
Для установки необходимого для измерения ДДИ уровня усиления ПЧ генераторы выключаются из сети (при отключении выходного напряжения на включенном генераторе возможно прохождение наводок на вход РПУ) и ручкой ПЧ устанавливается уровень шума на НЧ выходе приемника 0,5В.
Результаты сравнительного измерения ДДИ для РПУ Р-399А с преселектором и без преселектора приведены в Табл. 3.3. В Табл. 3.3: Afn-отстройка генератора Г1 от частоты настройки РПУ; Дг"г2-отстройка генератора Г2 от частоты настройки РПУ; Д"СРЕДНЕЕ= (Afr2+ Afn)/2 - средняя отстройка генераторов Г1 и Г2 от частоты настройки РПУ. Также в таблице Табл. 3.3 приведены значения динамического диапазона по интермодуляции для РПУ Р-399А с преселектором и без преселектора. Для учета влияния потерь в преселекторе и сумматоре на значение измеренного ДДИ в Табл. 3.3 приведены также значения ДДИ Р-399А с преселектором и без преселектора, рассчитанные в дБ относительно одного микровольта на входе РПУ. Для оценки улучшения значения ДДИ РПУ Р-399А при применении преселектора в Табл. 3.3 показана разница значений ДДИ РПУ Р-399А с преселектором и ДДИ РПУ Р-399А без преселектора в дБ.
Для наглядности представления данных, приведенных в Табл. 3.3 на Рис. 3.7 показана зависимость ДДИ РПУ Р-399А без преселектора от величины средней отстройки сигналов помехи A f СРЕДНЕЕ ; на Рис. 3.8 показана зависимость ДДИ РПУ Р-399А с преселектором от величины средней отстройки сигналов помехи AfСРЕДНЕЕ; на Рис. 3.9 показана зависимость выигрыша по ДДИ от применения преселектора на входе РПУ Р-399А. На графиках, показанных на Рис. 3.7 и Рис. 3.8 значения ДДИ приведены в дБ относительно одного микровольта на входе РПУ Р-399А.
В данном разделе рассматриваются результаты сравнительного измерения искажения сигнала, возникающего в РПУ Р-399А без преселектора и в составе системы с преселектором из-за влияния отстроенной по частоте помехи (динамический диапазон по частичному блокированию, ДДЧБ).
В соответствии с п. 3.14. Технического Описания к РПУ Р-399А величиной блокирующей помехи считается ЭДС отстроенного по частоте мешающего сигнала, приводящего к изменению полезного сигнала на выходе РПУ более чем на 20% относительно номинального при уровне полезного сигнала на входе РПУ ЮОмкВ.
В рассматриваемых экспериментальных измерениях изменение полезного сигнала при блокировании выбиралось равным 50%, так как при меньшем изменении полезного сигнала экспериментальные данные оказывались недостоверными из-за существенного взаимного влияния генераторов сигнала и помехи.
Измерения проводились на частоте сигнала fc=17543400 Гц, сигнал немодулированный, приемник работал в режиме - ТЛТФ, полоса ПЧ - 1кГц. Сигнал помехи, подаваемой с генератора Г2 также немодулированный. Схема экспериментальной установки показана на Рис. 3.10. Следует отметить, что полученные в результате описанного эксперимента данные по увеличению ДДЧБ при применении преселектора с большой вероятностью не в полной мере отражают возможный максимальный эффект от его использования. Теоретически улучшение ДД по блокированию должно соответствовать ослаблению отстроенного сигнала преселектором. Несоответствие экспериментальных и теоретических результатов объясняется тем, что измеренное значение ДДЧБ ограничивалось в результате взаимодействия между выходными цепями генераторов, использованных в эксперименте. Использовать в опытах более качественную измерительную технику не представлялось возможным, тем не менее, хотя полученные экспериментальные данные и искажены в абсолютном значении, но они дают качественное представление о положительном влиянии ВТСП преселектора на ДДЧБ системы РПУ + преселектор.
Целью описанного в данном разделе эксперимента является определение влияния преселектора на динамический диапазон по полному блокированию принимаемого по эфиру сигнала системы из РПУ Р-399А и преселектора. Блок-схема эксперимента представлена на Рис. 3.13.
Полезный сигнал радиостанции (речевой, AM или ТЛГ) с частотой fc от антенны А1 (положение переключателей К показано на Рис. 3.13) поступает на вход системы преселектор + РПУ Р-399А. (В случае невозможности приема внешних сигналов, полезный сигнал подается от генератора Г4-158 через антенну А2. Сигнал генератора Г4-158 амплитудно модулирован с частотой 400 Гц (глубина модуляции 30%) на частоте несущей fo. Уровень выходного сигнала Г4-158 устанавливается таким образом, чтобы в наушниках, подключенных к НЧ выходу РПУ Р-399А, ясно прослушивался тон 400Гц.)
Далее включается генератор помех Г4-164, и на его выходе на частоте помехи fn устанавливается напряжение Uni» при котором определяются границы исчезновения и появления речевого сигнала в наушниках. Фиксируется для данной отстройки уровень Uni. Переключателем К преселектор выключается (РПУ Р-399А включается на вход антенны напрямую через делитель). При установленной частоте помехи fn изменяется уровень помехи (уровень выходного напряжения генератора помех) до того момента, когда возникает граница исчезновения речевого сигнала в наушниках. В этот момент Измеряется уровень ПОМеХИ Un2 . Улучшение ДД по полному блокированию (АДДПБ) определяется как АДДПБ = 201g—-— на частоте отстройки помехи от сигнала Af=fn-fc U п\ Ниже приводятся результаты измерений ДДПБ для двух типов сигналов, примятых по эфиру: на частоте fc=13,8 МГц, AM речевой сигнал и на частоте fc=10,1 МГц, ТЛГФ.
Динамический диапазон по полному блокированию РПУ с преселектором
Так как применение преселектора для расширения ДДИ РПУ Р-399А приводит к ухудшению чувствительности системы РПУ + преселектор относительно РПУ без преселектора (см. раздел 3.1), то для восстановления чувствительности системы РПУ + преселектор возможно использование после преселектора малошумящего усилителя, компенсирующего потери сигнала на резонансной частоте в преселекторе. Так же при использовании малошумящего УРЧ возможно уменьшение коэффициента передачи преселектора, и, как следствие, дополнительного расширения ДДИ относительно системы РПУ Р-399А + преселектор (см. раздел 3.2). Блок схема эксперимента представлена на Рис. 3.14.
Коэффициенты связи ВТСП контура с генераторами устанавливались примерно равными друг другу, коэффициент передачи с П на выходную петлю, связанную с УРЧ -13,35дБ, с Г2 -12,9 на частоте f0=19971 кГц. Ширина полосы контура по уровню ЮдБ - 1.25кГц. Чувствительность системы РПУ Р-399А + преселектор + УРЧ измерялась в режиме ТЛГФ на частоте настройки преселектора 19970,9 кГц по методике, аналогичной использованной в п.3.1. и равнялась 0,19мкВ. В Табл. 3.6 представлены результаты сравнительного измерения динамического диапазона по интермодуляции РПУ Р-399А, системы преселектор + РПУ Р-399А и системы преселектор + УРЧ + РПУ Р-399А. В качестве УРЧ использовался широкополосный усилитель с коэффициентом усиления 30дБ и уровнем шума на выходе 0,8мкВ.
Анализируя данные, представленные в Табл. 3.6, можно сделать вывод, что использование УРЧ позволяет улучшить чувствительность системы преселектор 4- РПУ Р-399А, приблизив ее к чувствительности РПУ Р-399А и дополнительно расширить ДДИ. Для использованного УРЧ улучшение ДДИ составило 5,5дБ. Очевидно, что применение УРЧ с меньшим коэффициентом шума позволит в большей степени увеличить ДДИ системы из УРЧ, ВТСП преселектора и РПУ.
Представленные в данной главе результаты экспериментальных исследований характеристик приемных систем, имеющих в своем составе опытные образцы перестраиваемого преселектора на основе тонких ВТСП пленок показали возможность практического использования таких преселекторов и во многом подтвердили сделанные ранее на основе теоретического анализа предположения о возможности значительного улучшения характеристик существующих приемных систем путем включения в их состав ВТСП преселекторов. Так, применение ВТСП преселектора совместно с РПУ Р-399А «Катран» позволило улучшить его односигнальную частотную избирательность на величину до 45дБ (при отстройке сигнала от частоты настройки РПУ на 24кГц); увеличение динамического диапазона по интермодуляции составило до 22дБ (средняя отстройка сигналов помехи - 15 кГц, система включала также УРЧ) ; выигрыш в динамическом диапазоне по частичному блокированию составил более 11дВ; выигрыш в динамическом диапазоне по полному блокированию составил до 27дБ. Преселектор позволил ослабить чувствительность РПУ Р-3 99А по зеркальному каналу на 22дБ (вид сигнала - ТЛГФ, частота 17555кГц), уменьшение чувствительности по каналу первой ПЧ составило 41дБ (вид сигнала - ТЛГФ, частота настройки РПУ -17555кГц).
При экспериментальном исследовании динамического диапазона системы ВТСП преселектор + РПУ было подтверждено теоретическое предположение о том, что ДДИ этой системы ограничивается динамическим диапазоном преселектора. Данный вывод позволил определить пути дальнейшего улучшения характеристик такой системы (например, включение в ее состав УРЧ после преселектора и ослабление коэффициента связи преселектора с входными и выходными цепями).
Несомненно, что характеристики приемной системы, включающей в свой состав ВТСП преселектор и РПУ, могут отличаться от измеренных в зависимости от типа РПУ, но наличие положительного эффекта от узкополосной фильтрации на высокой частоте путем включения в антенный тракт РПУ ВТСП узкополосного преселектора можно считать доказанным. Основным побочным эффектом при этом является усложнение конструкции и необходимость криогенного охлаждения на азотном уровне, что во многих случаях не является критическим фактором ввиду возможности приема сигналов, недоступных при использовании традиционных приемных систем.
