Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ фазовых шумов перестраиваемых автогенераторов для гетеродинов РСДБ-конверторов 17
1.1. Требования к автогенераторам для гетеродинов конверторов . 17
1.2. Спектральные характеристики автогенератора 20
1.3. Шумы автогенератора с буферным усилителем 26
1.4. Шумы и дискретные компоненты спектра, вносимые по цепи управления частотой автогенератора 30
1.5. Расчёт резонансного контура автогенератора с низким уровнем шумов 34
1.6. Умножение и деление частоты автогенератора 39
1.7. Паразитная модуляция принимаемого сигнала шумами автогенератора 40
1.8. Выводы 42
Глава 2. Разработка и экспериментальное исследование автогенерато ров для РСДБ-конверторов 44
2.1. Автогенераторы с LC-контурами на сосредоточенных и полусосредоточенных элементах 45
2.2. Резонатор с закороченным отрезком длинной линии 48
2.3. Резонатор с четвертьволновым трансформатором 56
2.4. Результаты разработки и экспериментального исследования перестраиваемых генераторов с малыми шумами 58
2.5. Генераторы с затягиванием частоты высоко добротного резонатора 66
2.6. Выводы 68
Глава 3. Микросборки узлов широкополосных трактов усиления и передачи сигналов промежуточных частот 70
3.1. Требования к специализированным микросборкам 71
Ъ2. Микросборка широкополосного канала радиометрического измерителя сигналов 76
3.3. Магистральный усилитель линии передачи промежуточных частот 85
3.4. Микросборка широкополосного канала РСДБ-конвертора 87
3.5. Выводы 90
Глава 4. Использование ГИС функциональных узлов тракта промежуточных частот в радиоастрономической аппаратуре. 92
4.1. Использование микросборок в линиях передачи сигналов промежуточных частот на радиотелескопах РТФ-32 92
4.2. Применение специализированных микросборок в программируемых радиометрических модулях 96
A3. Использование специализированных ГИС в разработке PCДБ-терминалов преобразования сигналов 99
4.4. Улучшение параметров преобразователя частот РПУ 100
4.5. Выводы 102
Заключение 104
Литература 107
- Требования к автогенераторам для гетеродинов конверторов
- Автогенераторы с LC-контурами на сосредоточенных и полусосредоточенных элементах
- Требования к специализированным микросборкам
- Использование микросборок в линиях передачи сигналов промежуточных частот на радиотелескопах РТФ-32
Введение к работе
Радиоастрономия за последние десятилетия достигла очень высокого уровня развития, и ее методы широко используются как в фундаментальных науках (геодинамика, геофизика и др.), так и в решении прикладных проблем: координатно-временное обеспечение отраслей народного хозяйства, предсказание землетрясений, космическая навигация, предупреждение астероидной опасности и др. Важнейшими направлениями современной радиоастрономии являются радиометрия и радиоинтерферометрия, особенно радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), дающая предельно высокие угловые разрешения и максимальную точность координатно-временных систем [1-3]. РСДБ-технология активно развивается в мире и стала одной из ведущих технологий, обеспечивающих решение многих фундаментальных и прикладных научных проблем. В России завершается строительство постоянно действующего РСДБ-комплекса "Квазар": введён в действие первый радиотелескоп РТФ-32 (п. Светлое), завершается строительство второго (п. Зеленчукская) и начато строительство третьего (п. Бодары).
На антеннах радиотелескопов обычно устанавливаются сверхмалошу-мящие криоэлектронные радиоастрономические приёмные устройства (РПУ), работающие в разных диапазонах длин волн и имеющие предельно высокую чувствительность. Принимаемый СВЧ сигнал усиливается и переносится преобразователем частот РПУ в полосу промежуточных частот (ПЧ), а далее по коаксиальной линии сигнал ПЧ передаётся на РСДБ-системы преобразования и регистрации сигналов (СПС) и на радиометрические измерительные устройства (РМИ).
В комплексе "Квазар", например, РПУ работают в диапазонах волн 21-Й 8 см, 13 см, 6 см, 3,5 см и 1,35 см и имеют полосы пропускания до 500 МГц, а сигналы из этих диапазонов переносятся в диапазон ПЧ 100-=-600 МГц [4], в которой работают РМИ и СПС [5]. На некоторых радиотелескопах (в основном, зарубежных) используются и другие диапазоны ПЧ, например,
500-И 000 МГц при работе с РСДБ-терминалами VLB А 3. В настоящее время просматривается тенденция расширения полос пропускания трактов ПЧ с целью перекрытия диапазона 100-И 000 МГц, что соответствует параметрам перспективного РСДБ-терминала Mark 4.
Тракт ПЧ в составе радиоприёмного комплекса радиотелескопа (рис. В.1) включает в себя ряд устройств, начиная с малошумящих широкополосных усилителей (МШУ) ПЧ, установленных на выходе РПУ, и кончая широкополосными каналами РМИ (до квадратичного детектора) и каналами ПЧ в составе конверторов СПС (до квадратурного преобразователя частот). В этом же диапазоне частот работают и гетеродинные автогенераторы (ГУН), перестраиваемые напряжением, которые используются в составе РСДБ-конверторов для квадратурного преобразования ПЧ к видеочастотам. На рис. В.1 функциональные узлы трактов ПЧ выделены утолщёнными линиями.
СПС РСДБ-терминала
Усилитель распределитель ПЧ
Канал ПЧ
ПЧ-канал РМИ
Детєкор
Конвертор
Конвертор
Кв. Пр.Ч ^1 Видео каналы
ГУН гетеродина
Вычислитель
Рис.8.1. Тракт ПЧ в радиоприёмном комплексе радиотелескопа: Пр.Ч - преобразователь частоты, Кв.Пр.Ч - квадратурный преобразователь частоты, МШУ - малошумящий широкополосный усилитель, Км - коммутатор выходов РПУ, КЛ - коаксиальная линия передачи, ФАПЧ - система фазовой автоподстройки частоты ГУН,
Тракты ПЧ на радиотелескопе выполняют функции широкополосного усиления и передачи сигналов, а также их селекции (для исключения внепо-лосных помех). При этом должны быть исключены или сведены до минимума вносимые трактом искажения сигналов, которые могут ухудшить чувст- вительность РСДБ-радиотелескопа (за счёт вносимых потерь когерентности принимаемых радиоастрономических сигналов) и искажать результаты радиометрических измерений. Поэтому предъявляются весьма жёсткие требования к равномерности амплитудно-частотных (АЧХ) и к линейности фазо-частотных (ФЧХ) характеристик трактов ПЧ, а также к линейности амплитудных характеристик МШУ тракта, которые определяют допустимый динамический диапазон принимаемых сигналов и уровень их нелинейных искажений. Важное значение имеет и снижение фазовых шумов гетеродинных автогенераторов РСДБ-конверторов, поскольку вносимая ими паразитная модуляция принимаемого сигнала ведёт к дополнительным потерям когерентности последних. Создание аппаратуры с требуемыми параметрами в рассматриваемом диапазоне частот (100-=-1000 МГц) - задача нетривиальная, поскольку диапазон ПЧ очень широкий (10-кратное перекрытие) и находится в области перехода от техники на сосредоточенных ("дискретных") элементах к технике на распределённых элементах (на длинных линиях).
Проблемы, стоящие в диссертационной работе.
До последнего времени при оснащении радиотелескопоЪ в трактах ПЧ использовались функциональные узлы, созданные на элементной базе конца 80-х - начала 90-х годов, которая уже не в полной мере соответствует современным требованиям. Так для широкополосного усиления сигналов ПЧ повсеместно используются МШУ класса "Олимпик" (М42118-2, М42136, микросборка "Орхидея" и др.), которые имеют сравнительно небольшую выходную мощность (до 0,4+0,5 мВт для шумового сигнала), вследствие чего ограничен допустимый динамический диапазон принимаемых сигналов и могут возникать затруднения при радиометрических исследованиях. Дефицит динамического диапазона трактов ПЧ усугубляется ещё и неравномерностью затуханий сигнала в коаксиальных линиях на разных частотах, которая в полосе lOO-f-1000 МГц составляет 21+22 дБ при расчётной длине линии 200 м, которая примерно равна длине линии на радиотелескопах РТФ-32.
Следует заметить также, что упомянутые МШУ класса "Олимпик" в настоящее время сняты с производства без замены новыми, что уже создаёт трудности в разработках новой радиоастрономической аппаратуры и в ремонте существующей. А многие функциональные узлы, необходимые для трактов ПЧ, вообще не выпускались отечественной промышленностью. Это относится, в частности, к широкополосным магистральным усилителям с регулируемым усилением и коррекцией неравномерности затухания сигналов в линии и к гетеродинным ГУН, без которых невозможна разработка современных СПС. Но и те элементы, которые выпускались (например, МШУ) не содержали элементов регулировки усиления и уровней сигналов, что сильно затрудняло сопряжение отдельных устройств при монтаже на радиотелескопе и в процессе эксплуатации.
Отсутствие отечественной элементно-узловой базы диапазона ПЧ, достаточной по номенклатуре и соответствующей по параметрам современным требованиям к радиоастрономической аппаратуре, предопределяет актуальность данной работы.
Цель диссертационной работы - улучшение каналов передачи широкополосных радиоастрономических сигналов на промежуточных частотах (100ч-1000 МГц\ начиная от преобразователя частот РПУ и заканчивая квадратурными преобразователями частот РСДБ-конверторов и квадратичными детекторами РМИ. Эта цель достигается путём создания функционально законченного ряда узлов тракта ПЧ на базе микроэлектронной гибридно-полосковой технологии. Решение этой задачи включает в себя следующие вопросы: исследование и разработку узлов системы передачи ПЧ (ЮО-ИООО
МГц\ включая коммутаторы, МШУ с расширенным динамическим диапазоном, магистральные усилители с коррекцией неравномерности затухания; исследование и разработку микросборок широкополосных линейных усилительных каналов РСДБ-конверторов, полностью соответствующих требованиям к СПС современного мирового уровня (Mark 4, VLBA 4), и широкополосных каналов высокочувствительных радиометрических измерительных устройств; исследование путей снижения фазовых шумов ГУН для гетеродинов СПС и уточнение методик их расчёта; разработку ряда автогенераторов с низким уровнем шумов для гетеродинов конверторов СПС; экспериментальное исследование создаваемого функционально законченного ряда узлов системы передачи широкополосных сигналов ПЧ в составе комплекса радиометрической и РСДБ-аппаратуры.
Краткое содержание последующих разделов диссертации.
Главы 1 и 2 посвящены исследованию и разработке перестраиваемых автогенераторов для гетеродинов РСДБ-конверторов.
В главе 1 даётся оценка современного состояния разработок автогенераторов для гетеродинных систем диапазона 100ч-1000 МГц є фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) и формулируются требования к автогенераторам для РСДБ-конверторов. На основе шумовой модели транзистора, предложенной Лиссоном, и эквивалентной схемы автогенератора определяются зависимости спектральной плотности фазовых шумов автогенератора от параметров транзистора и добротности резонансного контура в цепи обратной связи. Оцениваются вклады фазовых шумов, вносимых буферным усилителем, обеспечивающим развязку автогенератора от нагрузки, и элементами в цепи управления частотой автогенератора. Рассчитываются уровни дискретных сетевых компонентов в спектре гетеродинного сигнала.
На основе проведённого анализа предлагаются методики расчёта резонансных контуров и диапазонов перестройки автогенераторов, учитывающие условия минимизации уровней фазовых шумов и дискретных компонентов спектра.
Требования к автогенераторам для гетеродинов конверторов
РСДБ-конверторы должны перестраиваться в диапазоне выходных ПЧ радиоастрономического РПУ, причём при разработке РСДБ-конветоторов необходимо предусмотреть возможность работы с разнотипными РПУ, установленными на разных радиотелескопах. Диапазоны ПЧ для большинства РПУ, как уже отмечалось, находятся в интервале от 100 МГц до 1000 МГц, который совпадает с рабочим диапазоном РСДБ-терминала Mark 4. Этот диапазон целесообразно принять и для гетеродинов разрабатываемых конверторов. Частота настройки /г гетеродинов синхронизируется опорной частотой j0 = 5 Ml ц или 100 Ml ц, получаемой от высокостабильного стандарта частоты, например, водородного мазера СН1-75 или СН1-80.
Одним из основных требований, предъявляемых к гетеродинам конверторов, является получение гетеродинного сигнала с достаточно чистым спектром (с минимальным уровнем шумов и дискретных компонентов), поскольку паразитная модуляция гетеродинного сигнала переносится на принимаемый сигнал при преобразовании частоты в конверторе и вносит дополнительные потери когерентности сигнала.
Число номиналов рабочих частот гетеродина в полосе 100-И 000 МГц при шаге перестройки А/г =10 к! ц, принятом в международной практике, равно 90000. Для получения высокой стабильности частоты настройки и низкого уровня фазовых шумов гетеродинного сигнала при таком числе рабочих частот приемлем только метод косвенного синтеза частот, основанный на ФАПЧ [6,7]. В ФАПЧ-гетеродинах (рис. 1.1) автогенератор подстраивается по частоте напряжением U„, подаваемым на варикап, включенный в резонансный контур автогенератора. Управляющее напряжение вырабатывается фазовым детектором, который сравнивает (с точностью до фазы) поделенную в п раз частоту автогенератора с опорной частотой.
Автогенераторы с LC-контурами на сосредоточенных и полусосредоточенных элементах
Автогенераторы с сосредоточенными LC-элементами широко используются на сравнительно низких частотах (менее 200 МГц), но в последние годы в связи с миниатюризацией радиоэлементов и прогрессом гибридно-пленочной технологии LC-резонаторы на сосредоточенных и полусосредоточенных элементах стали применяться и на более высоких частотах, включая метровый, дециметровый и частично сантиметровый диапазоны волн. Под сосредоточенными (или, как их иногда называют, точечными) элементами здесь понимаются такие элементы схемы, геометрические размеры которых меньше (0,02-7-0,01)/1, где л - длина волны. При выполнении некоторых элементов гибридно-пленочной схемы это условие может нарушаться, и начинают проявляться свойства длинных линий с распределительными параметрами, но в конкретном устройстве этот элемент в целом еще ведет себя как сосредоточенный. К таким элементам схемы, называемых полусосредоточенными, относятся индуктивности в виде отрезков проводников или полупетель, конструктивные пленочные емкости и колебательные контуры на таких индуктивностях и емкостях. Многочисленные варианты выполнения таких устройств и формулы для расчета их топологий приведены, например, в [33-35].
Нагруженную добротность колебательного контура на рабочей частоте автогенератора определяет индуктивность контура L и включенное последовательно активное сопротивление резонатора г =гк+гв+ гвнес ,которое учитывает сопротивление варикапа гв .собственные омические потери контура гк и внесенные в контур потери гпиес. Для лучших отечественных варикапов рассматриваемого диапазона частот ге « 1 Ом. В правильно сконструированном автогенераторе потери, вносимые в резонатор внешними элементами схемы и нагрузкой (буферньш усилителем с глубокой отрицательной обратной связью, имеющим высокое входное сопротивление), обычно не превышают ОД Ом, а добротность О резонатора определяется, в основном, собственными потерями контура и добротностью варикапа. В общем случае собственные потери резонатора слагаются из омических потерь гп в проводниках (в основном, в индуктивности), потерь гд в диэлектриках, используемых в качестве несущей подложки, каркасов катушек индуктивностей, диэлектриков конденсаторов и отрезков линий передачи, а также из потерь ru, связанных с излучениями и рассеянием энергии проводниками и индуктивностями контура.
Потери в диэлектрике увеличиваются пропорционально частоте, тангенсу угла диэлектрических потерь tgd, который характеризует электрофизические свойства материала, и корню квадратному из относительной диэлектрической проницаемости є материала [33, 34]. Для каркасов катушек и подложек пленочных индуктивностей применялись радиотехнические материалы с малыми потерями (tgS 10 3) и сравнительно небольшими диэлектрическими проницаемостями (- = 2-4): полистирол, ФЛАН-2,8, фторопласт и др. При этом сводят к минимуму объехМ материала каркасов, придавая им крестообразные, тонкостенные и другие формы. За счет применения материалов с малой є и специальных форм каркасов уменьшают и паразитные межвитковые емкости катушек индуктивности.
При разработке резонаторов рассматриваемого диапазона частот учитывалось влияние скин-эффекта на потери г . Во избежание дополнительных потерь толщина пленочных проводников должна быть не менее 4- 5 толщин скин-слоя, т.е. не менее 12 мкм на частоте 100 МГц и не менее 4 мкм - на частоте 1000 МГц. Современные фольгированные высокочастотные диэлектрики {ФЛАИ, ФФ и др.) соответствуют этим требованиям.
Требования к специализированным микросборкам
Принимаемые радиоастрономические сигналы с помощью преобразователя частоты малошумящего приёмного устройства [4] переносятся в полосу промежуточных частот, а затем через коммутатор и коаксиальные линии передаются на радиометрические измерители и РСДБ-аппаратуру преобразования и регистрации сигналов (рис. В.1).
Из-за неодинакового затухания сигналов в коаксиале на разных частотах неравномерность спектра в полосе промежуточных частот на выходе коаксиальной линии передачи, длина которой составляет сотни метров, может стать весьма большой. Это в свою очередь может привести к недопустимым искажениям сигналов в устройствах с ограниченным динамическим диапазоном, в первую очередь в малошумящих широкополосных усилителях (МШУ). В линии передачи радиотелескопа «Светлое» неравномерность затухания составляет 11-=-12 дБ в полосе частот 1004-600 МГц и 18-г19 дБ - в полосе 1004-1000 МГц. Для выравнивания спектра сигнала на выходе коаксиальной линии, а при большой длине линии - и в её разрыве, необходимо устанавливать МШУ с коррекцией неравномерности затухания сигналов в линии.
До настоящего времени во всех основных узлах линии передачи промежуточных частот, начиная с преобразователя частот РПУ и кончая широкополосными детекторами радиометра или квадратурными преобразователями частот РСДБ-конвертеров, применяются, разработанные в 80-х годах МШУ класса «Олимпик»: М42118-2, М42136 и их аналоги. В этих усилителях выходная мощность гармонического сигнала начинает ограничиваться на уровне 1-3 мВт, а шумовой сигнал - на уровне Ро:р =0,4-г0,5 мВт. При этом линейность амплитудной характеристики широкополосного канала обеспечивается в динамическом диапазоне где Pim.MSaily - мощность собственных шумов МШУ, приведённая к его входу, К\шу коэффициент усиления МШУ, а второе слагаемое (20 дБ) учитывает то, что минимальная мощность входного сигнала Pxmia должна быть, по крайней мере, на 20 дБ выше чем Р.иу%й1ШУ, чтобы потери чувствительности радиотелескопа не превысили 1 %.
Поскольку для МШУ класса «Олимпик» можно принять шумовую полосу ВАШУ \09 Гц, шумовую температуру ТІШУ »300 К и КАШУ «400, то , =1,38-10 5 .2 «4-10-" 5т и, соответственно, ВлинК(ШУ «36 дБ.
Следовательно, динамический диапазон приёмной аппаратуры, изготовленной на отечественной элементно-узловой базе 80-х годов, в любом случае не превышает 36 дБ. На практике динамический диапазон оказывается ещё уже из-за избыточного усиления отдельных экземпляров МШУ в приёмно-усилительном тракте и отсутствия между каскадами усиления элементов согласования уровней сигналов (широкополосных управляемых аттенюаторов). Диаграмма распределения уровней сигналов (рис.3.1) показывает, что среднее значение динамического диапазона канала «РПУ - коаксиальная линия - усилительно-распределительный блок - широкополосный тракт радиометра» сужается до 26 дБ при работе с охлаждённым РПУ (шумовая температура радиотелескопа Тп «30 /Q и до 16 дБ при работе с неохлаждёнными РПУ {Тп «300 К). В зависимости от диапазона частот и экземпляра РПУ эти цифры могут изменяться в ту или иную сторону в пределах ± 7дБ, вследствие чего в отдельных случаях может снижаться отношение Pxmin /РшумИШУ , а в других появляться искажение сигнала за счёт ограничений МШУ.
Использование микросборок в линиях передачи сигналов промежуточных частот на радиотелескопах РТФ-32
На радиотелескопах РТФ-32, входящих в РСДБ-комплекс "Квазар", устанавливаются РПУ на пять частотных диапазонов, причём каждый РПУ имеет каналы приёма сигналов левой и правой круговых поляризаций [4]. В комплексе предусматривается возможность одновременного приёма сигналов в двух диапазонах частот по обеим поляризациям, для чего проложены 4 коаксиальных линии длиной около 200 м от РПУ, расположенных на антенне, до аппаратуры отработки сигналов, расположенной в лабораторном корпусе обсерватории. При смене диапазонов частот сигналов необходимо подключать соответствующие выходы РПУ, число которых равно 10, не считая резервных, к каким-либо из 4 входов коаксиальных линий. В современной аппаратуре выходы РПУ должны переключаться дистанционно по сигналам управления, поступающим из лабораторного корпуса обсерватории.
С этой целью были разработаны герметизированные микросборки микрополосковых коммутаторов (рис.4.1), выполненных на р-г-п диодах типа 2А517.
Как показано в п.3.1, при использовании существующей элементно-узловой базы достаточно трудно на выходе коаксиальной линии установить уровень сигнала таким, чтобы, с одной стороны, не снижалось отношение Рхат/Рщя&шу а с ДРУ1 стороны, не сужался динамический диапазон Dmm
тракта. Из-за большого разброса коэффициентов усиления РПУ уровень сигнала приходится подбирать при смене диапазона частот, а это при отсутствии МШУ с регулируемым усилением (с управляемыми аттенюаторами) становится достаточно сложной и трудоёмкой задачей. Подобные проблемы возникают и при вывозе и развёртывании РСДБ-аппаратуры преобразования и регистрации сигналов с целью проведения наблюдений на какой-либо большой антенне, не предназначенной изначально для стационарной установки данной РСДБ-аппаратуры.
Указанные проблемы успешно решаются с помощью рассмотренной в п.3.3 герметизированной ГИС магистрального усилителя (рис. 3.14).
При установке ГИС магистрального усилителя в канале коаксиальной линии (после коммутатора выходов РПУ), можно на 10-15 дБ поднять уровень сигнала, сохраняя то значение динамического диапазона, которое имеет выходной МШУ в преобразователе частот РПУ. Это исключает потери чувствительности за счёт снижения отношения мощности сигнала к мощности собственных шумов аппаратуры на выходе коаксиальной линии. Ещё эффективнее вариант установки ГИС магистрального усилителя в разрыве коаксиальной линии, например, на конце азимутальной петли. Этот вариант даёт не только расширение динамического диапазона тракта ПЧ, но и позволяют увеличить отношение сигнал/шум на входе на входе СПС и РМИ (рис. 4.2). Под отношением сигнал/шум здесь понимается отношение шумовой температуры сигнала, поступающего по линии передачи от РПУ, к температуре собственных шумов аппаратуры СПС и РМИ. Для исключения ограничений динамического диапазона в выходном усилителе РПУ необходимо в микро сборках "Орхидея" заменить МШУ "Олимпик" на разработанный здесь МШУ (см. п. 4.4).
