Содержание к диссертации
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИИ 5
ВВЕДЕНИЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 14
Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 22 1.1. Введение 22
1.2. Автодинный эффект в одночастотных автогенераторах 23
1.3. Автодинный эффект в многочастотных автогенераторах 30
1.4. Выводы 33
Глава 2. АНАЛИЗ ПОЛИГАРМОНИЧЕСКИХ АВТОДИНОВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЧ ДИОДАХ 36
2.1. Введение 36
2.2. Обобщенные эквивалентные схемы и уравнения полигармонического автодина 37
2.3. Анализ взаимодействия автодинного генератора
с отраженным излучением 46
2.4. Общие соотношения для анализа автодинного эффекта. 55
2.5. Выводы 61
Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ БИГАРМОНИЧЕОКИХ АВТОДШНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ 64
3.1. Введение 64
3.2. Основные соотношения для не изохронного автодинного генератора 66
3.3. Автодинный эффект в изохронном бигармоническом генераторе 70
3.4. Анализ автодинного режима стабилизированного бигармонического генератора 76
3.5. Устойчивость и резонанс релаксационных колебаний
-4-- автодинного генератора 83
3.6. Особенности автодинного отклика бигармонического генератора 89
3.7. Экспериментальные результаты и их, обсуждение 93
3.8. Выводы НО
Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОЧАСТОТНЫХ АВТОДИНОЗ 115
4.1. Введение 115
4.2. Исследование автодинного эффекта в одночастотных генераторах 116
4.3. Особенности автодинного сигнала в случае распределенного объекта 132
4.4. Исследование переходных процессов в цепи питания автодинного генератора 135
4.5. Анализ частотных характеристик автодинного генератора с цепью автосмещения второго порядка 140
4.6. Выводы 145
Глава 5.
5.1. Введение 148
5.2. Измерение параметров одночастотных и бигармонических генераторов по автодиодым характеристикам 149
5.3. Автодинный обнаружитель отракащего объекта на ЛЦД 152
5.4. Автодинный датчик скорости на диоде Ганна 156
5.5. Радиолокационный измеритель скорости автотранспорта 159
5.6. Автодинная система с бигармонической генерацией 162
5.7. Выводы 164
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .172
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Введение к работе
Автодинные системы радиочастотного, сверхвысокочастотного (СВЧ) и оптического диапазонов длин волн, благодаря конструктивной простоте, малогабаритности и высокой чувствительности, находят широкое применение для решения самых различных задач ближней радиолокации [ї»2], спектроскопии [з,4}, бесконтактных измерений параметров полупроводников [5,6J, диэлектрической проницаемости 7 и влажности листовых материалов [_8j, круговых диаграмм отраженного излучения _9j и фазового фронта антенн icf]t малых перемещений, вибраций, скорости движения и шероховатости поверхности в различных приборах точной механики [ll,12] и других целей. Принцип работы указанных систем основан на автодинном эффекте, заключающемся в изменении параметров автоколебаний генератора под воздействием электромагнитного (ЭМ) излучения, отраженного от объекта исследования 1,13], то есть автодинный генератор представляет собой совмещенный приемопередатчик, в котором за счет усиления в активном элементе (АЭ) автодинный отклик значительно превышает величину вызвавшего его внешнего воздействия. Возникающий автодинный отклик регистрируется либо в цепи питания генератора (сигнал автодетектирования), либо внешним детектором, на который ответвляется небольшая часть мощности генерируемого излучения (сигнал внешнего детектирования) L6,I3-I5j, В отличие от систем гомодинного типа (j6j, в рассматриваемых системах автодинный генератор и пассивный отражающий объект "образуют единую автоколебательную систему, содержащую переменный параметр в виде меняющегося с какой-то скоростью расстояния между ними" [і,с.5зГ.
В литературе термин "автодинная система" также иногда применяется к устройствам типа "автодинных смесителей" _I7J, У которых имеется только однонаправленное воздействие регистрируемо - 15 -го внешнего излучения на автоколебательную систему с целью нелинейного преобразования и усиления сигнала. Такие устройства и аналогичные им системы [_I8-24J Д° принципу действия существенно отличаются от автодинных приемо-передатчиков и в дальнейшем рассматриваться не будут.
Настоящая работа посвящена исследованию автоколебаний в автодинах с переменным запаздыванием отраженного сигнала применительно к решению задач ближней радиолокации, где автодинные системы используются наиболее широко. Иногда данные системы называются "доллеровские автодины" [25], поскольку частота их авто-динного отклика равна доллеровской частоте. При этом можно выделить два основных класса решаемых автодинной системой задач: обнаружение цели в заданной области пространства [і,2,26-28] и измерение параметров движения цели [2,29-32]. В первом случае от автодинной системы требуется обеспечить необходимый энергетический потенциал в оптимальной полосе фильтрации, реализующей максимальное отношение сигнал/шум, во втором - необходимую форму автодинного сигнала и соответствующий алгоритм его обработки. Практически во всех случаях, связанных с разработкой перспективных систем ближней радиолокации (СБРЛ), стоят проблемы повышения точности измерений, разрешающей способности, надежности, помехозащищенности и помехоустойчивости, а также дальнейшего снижения габаритов и массы.
Как впервые показано нами в [зз], для улучшения отмеченных здесь показателей качества весьма перспективным представляется применение автодинных полупроводниковых генераторов СВЧ с полигармонической и, в частности, бигармонической генерацией. Так, например, высокий фактор стабилизации частоты бигармонического генератора [_34,"35] обеспечивает лучший спектральный состав автодинного сигнала по отношению к одночастотным, которые для этой цели требуют стабилизации с помощью внешнего высокодобротного резонатора _36J. Кроме того, благодаря существенно лучшим шумовым характеристикам [_37,38j, большей выходной мощности [39,40J, полигармонические генераторы в автодинном режиме при прочих ра-вных условиях имеют более высокий энергетический потенциал j33j. Возможность совместного использования генерируемых гармоник в качестве несущих колебаний позволяет получить в СБРЛ больший объем информации и увеличить дальность обнаружения отражающих объектов.
Продвижение автодинных систем в область миллиметровых и субмиллиметровых длин волн, освоение не используемых ранее диапазонов также являются актуальной задачей, и применение полигармонических генераторов на полупроводниковых приборах в режиме умножения частоты [_4I,42j представляется естественным решением данной проблемы. .В этом случае при работе на высших гармониках полигармояический генератор в составе СБРЛ обесяечивает соответственно большие значения доплеровской частоты автодинного отклика, благодаря чему возрастает точность измерения параметров движения отражающего объекта, улучшаются разрешающая способность, помехозащищенность и помехоустойчивость системы [_43,44J.. Кроме того, коэффициент направленного действия антенны при постоянной апертуре возрастает с уменьшением длины волны [44], так что применение высших гармоник в автодинных системах способствует существенному улучшению их параметров без увеличения габаритов.
Таким образом, перспективность практического применения разработанных в последнее время полигармонических генераторов СВЧ на полупроводниковых приборах в автодинных системах очевидна. Однако, теоретическое и экспериментальное исследование автоколебаний в автодинных полигармонических генераторах до настоящего времени фактически не проводилось, хотя проблема успешного их использования в автодинных системах и расширения возможности практического применения требует решения указанных задач и достаточно актуальна.
Целью настоящей диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование полигармонических и одно-частотных автодинов на полупроводниковых диодах СВЧ сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
Прикладной задачей данной работы является разработка бигар-монического СВЧ генератора на диоде Ганна 3 и 1,5 см диапазонов длин волн, исследование его характеристик с использованием авто-диняого отклика, создание на его основе автодинной системы с целью оценки ее практического применения в решении задач ближней радиолокации, а также разработка и создание трех одночастотных автодинных СБРЛ, использующих результаты проведения оригинальных исследований.
Основными положениями, представляемыми к защите, являются:
1. Впервые проведенные теоретические и экспериментальные исследования автодинного эффекта в полигармонических и, в частности, бигармонических генераторах на полупроводниковых СВЧ диодах при воздействии собственного, отраженного от объекта, запаздывающего излучения.
2. Особенности автоколебания автодинных одночастотных СВЧ генераторов, находящихся под воздействием собственного излучения, отраженного от движущихся точечного и распределенного объектов.
3. Исследование влияния цепей автосмещения первого и второго порядков на основные параметры и характеристики полупроводниковых автодинных СВЧ генераторов с целью оптимизации схем регистрации автодинного отклика в цепи литания. диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
В первой главе проведен аналитический обзор основополагающих работ, непосредственно связанных с теоретическими и экспериментальными исследованиями автодинных систем на полупроводниковых СВЧ генераторах. Основная задача обзора - обобщение полученных ранее результатов, уточнение задач, решение которых необходимо провести в данной работе.
Во второй главе диссертации рассмотрены обобщенные модели автодинов при полигармонической генерации, проведено теоретическое исследование физических процессов взаимодействия автодина с отражающим объектом, общих характеристик и особенностей автоколебаний в автоданных генераторах при учете высших гармоник. Развитый подход обобщает результаты предшествующих исследований автодинов при одночастотной генерации.
В третьей главе на основе развитых представлений проведено теоретическое и экспериментальное исследование бигармонического генератора. При этом получены основные соотношения, описывающие автодинный отклик при взаимодействии генератора с отражающим объектом при квазистатическом представлении, а также с учетом . инерционностей изменения амплитуд автоколебаний парциальных генераторов, автосмещения и частоты; рассмотрены условия устойчивости стационарных колебаний автодинного генератора и их влияние на характер частотных зависимостей коэффициентов усиления, переноса и автодетектирования автодинных сигналов; показаны преимущества бигармонического автодина, стабилизированного внешним высокодобротным резонатором по сравнению с аналогичным одночастот-ным; экспериментальные результаты, полученные для генераторов миллиметрового и сантиметрового диапазонов на диодах Ганна, подтвердили правильность основных выводов анализа; определены перспективы применения автодинного режима бигармонических генераторов в СБРД, а также для изучения внутренних параметров данных генераторов.
В четвертой главе приведены новые результаты исследований одночастотных автодинов, подученные на основе проведенного анализа полигармонических автодинов и обобщения известных методов описания работы автодинных систем на полупроводниковых приборах. Рассмотрена динамика автодинного отклика одяочастотного генератора с учетом инерционности автосмещения. Изучены особенности частотной зависимости коэффициентов усиления и автодетектирования автодинных сигналов в генераторах с целью автосмещения второго порядка. Представлены результаты анализа особенностей автодинного сигнала при взаимодействии генератора с отраженным излучением от точечного и распределенного объектов, а также переходных процессов при включении автодинного генератора СВЧ.
В пятой главе дано описание трех одночастотных СБРЛ, в разработке которых непосредственно использованы полученные в предыдущих главах положения, и приведены результаты исследования макета двухчастотной системы, демонстрирующие возможности автодинов на основе бигармонических генераторов. Показана целесообразность использования автодинного режима для экспериментального изучения автоколебательных характеристик СВЧ генераторов.
В заключении подводятся итоги проведенных исследований ло-лигармонических и одночастотных автодинных систем.
Научная новизна представленных в работе исследований заключается в том, что на основе предложенной обобщенной модели впервые проведен анализ автодинных лолигармонических генераторов СВЧ на полупроводниковых приборах, позволивший не только обобщить полученные ранее результаты исследований одночастотных автодинов, но и выявить целый ряд особенностей полигармонических автодинов, существенно расширяющих перспективы практического применения автодинных систем. Более детальные теоретические и эксле - 20 -риментальные исследования полигармонических автодинов проведены на примере бигармонических автодинных генераторов на полупроводниковых .диодах сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн с кратным соотношением частот парциальных генераторов. Кроме того, на основе разработанного общего подхода к анализу автодинных систем, проведены для одночастотных автодинов исследова-- ния особенностей автодинного отклика в случаях взаимодействия с излучением, отраженным от точечного и распределенного объектов, переходных процессов установления режима автодинных генераторов на полупроводниковых СВЧ диодах при их включении, а также вляя-ния схем регистрации автодинного отклика в цели питания диодных СВЧ генераторов на основные параметры и характеристики автодинов.
Практическая ценность работы состоит в том, что в результате ее выполнения выяснены возможности создания автодинных систем на основе полигармонических и, в частности, бигармонических СВЧ генераторов, намечены пути дальнейшего совершенствования и расширения области применения одночастотных автодинов, разработаны и созданы три автодинные СЕРЛ, предложен метод определения параметров бигармонических и одночастотных СВЧ генераторов.
