Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов расчетапараметров спп и выбор на правлений исследований 17
1.1. Описание принципов работы СПП 17
1.2. Обоснование выбора математической модели СВЧ-автогенератора СПП 21
1.3. Анализ режимов работы транзистора автогенератора СПП 30
1.4. Анализ влияния флуктуационных шумов, действующих в приемном режиме 37
1.5. Обзор методов исследования ударных колебаний в контуре СПП 40
1.6. Выводы 42
2. Исследование обобщенной регенеративной характеристики 44
2.1. Методика расчета регенеративной характеристики 44
2.2. Расчет малосигнальной регенеративной характеристики 47
2.3. Расчет динамической регенеративной характеристики 55
2.4. Расчет обобщенной регенеративной характеристики 62
2.5. Выводы 66
3. Исследование влияния флуктуационных шумов на чувствительность и полосу пропускания СПП 68
3.1. Анализ воздействие флуктуационных колебаний на параметры СПП 68
3.2. Количественная оценка уровня флуктуации тока транзистора в режиме запуска 74
3.3. Исследование флуктуации полосы пропускания СПП в граничном режиме 77
3.4. Исследование влияния режимного тока запуска на амплитуду флуктуа-ционных колебаний и полосу пропускания СПП 80
3.5. Выводы 87
4. Исследование влияния ударных колебаний на реальную чувствительность СПП 89
4.1. Моделирование ударных колебаний 89
4.2. Моделирование суммарного воздействия ударных и флуктуационных колебаний 98
4.3. Выводы 103
5. Разработка конструкций и экспериментальное исследование характеристик сверхрегенеративных приемопередатчиков 105
5.1. Особенности расчета СПП на биполярных транзисторах 105
5.2. Методика расчета основных электрических параметров СПП 115
5.3. Описание конструкций и методов измерения выходных параметров опытных образцов СПП аэрологических радиозондов 120
5.4. Особенности построения СПП на полевых транзисторах 127
5.5. Разработка СПП, стабилизированного диэлектрическим резонатором 131
5.6. Результаты применения СПП в радиотехнических системах связи 137
5.7. Выводы 141
Заключение 142
Список использованной литературы 144
Приложение 1 152
- Анализ влияния флуктуационных шумов, действующих в приемном режиме
- Расчет динамической регенеративной характеристики
- Исследование влияния режимного тока запуска на амплитуду флуктуа-ционных колебаний и полосу пропускания СПП
- Моделирование суммарного воздействия ударных и флуктуационных колебаний
Введение к работе
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 параметри ческих 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 пере дающем 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 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 MATLAB.
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 флуктуации 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 флуктуации 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 «СВЯЗЫТРОМЭКСПО 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.
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 проводимостей транзистора и нагрузки, включающей элементы колебательного контура. Для решения системы уравнений выбрана модель транзистора, основанная на использовании в расчетах его комплексной проводимости коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой.
Режим запуска автогенератора выбирается таким образом, чтобы в начальный момент развития автоколебаний не проявлялось действие нелинейных факторов. Для оценки уровня регенерации вводится в рассмотрение безразмерный параметр - фактор регенерации. 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 проце дуры 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 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 автогенератора, на основе которой осуществляется поиск условий, обеспечивающих эффективную работу СПП.
Известные методы оценки регенеративных свойств СГШ основаны на использовании малосигнальной (МРХ) и динамической (учитывающей изменение фактора регенерации во всем диапазоне переменных токов транзистора) регенеративной характеристики (ДРХ) [28]. ДРХ описывает зависимость интегрального фактора регенерации от амплитуды переменного тока транзистора на участке установления от уровня ФК до стационарного значения амплитуды. Для построения ОРХ на основе численного метода проведено компьютерное моделирование зависимости интегрального фактора регенерации от пускового тока и амплитуды переменного тока транзистора для режима быстрого (жесткого) установления колебаний сверхрегенератора. Зависимость интегрального фактора регенерации от двух основных параметров автогенератора, величины обратной связи и проводимости нагрузки представляет область возможных значений, позволяющих исследовать и выбрать оптимальные условия запуска СГШ в приемном режиме и обеспечить быстрый процесс установления колебаний в передающем режиме.
В третьей главе решается вторая задача - исследуется зависимость реальной чувствительности СГШ от уровня тепловых и дробовых шумов. Количественно оценено влияния флуктуации фактора регенерации на величину полосы пропускания колебательного контура СГШ в граничном режиме. Характерным свойством СГШ является существенная зависимость параметров приемного и передающего режимов от условий включения при затухании контура вблизи нулевых значений. Проведены анализ и оценка эффективного значения флуктуации тока в СГШ в момент запуска. Приближенно определен эффективный уровень дробовых флуктуации граничного и пускового токов, определяющих условия самовозбуждения. Полученные выше оценки уровня суммарных флуктуации тока позволяют для известной функции фактора регенерации определить уро вень флуктуации затухания и величину полосы пропускания СПП при постоянном нулевом среднем значении затухания контура.
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 составляющих тока транзистора. Проведенные расчеты полосы пропускания показывают, что для достижения минимальной полосы пропускания в динамическом режиме работы необходимо устанавливать малую скорость нарастания 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.
В четвертой главе решается следующая задача диссертационного исследования - анализируются процессы развития УК в контуре СПП. Показано, что влияние УК практически проявляется всегда при запуске СПП и требует соответствующего учета. В главе исследуется эффект ударного возбуждения колебательной системы СПП для разных уровней собственного затухания контура путем численного решения неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с переменными коэффициентами. Решение уравнения СПП осуществляется при непрерывно изменяющемся затухании от положительного до отрицательного значения в пакете MATLAB. Анализ результатов показывает, что максимальная амплитуда ударных колебаний пропорциональна крутизне и амплитуде тока запуска. Если затухание колебательной системы положительное, УК имеют затухающий характер. При отрицательном затухании УК определяют начальную амплитуду автоколебаний, которые экспоненциально нарастают. В случае значительной амплитуды УК, превышающей уровень ФК на момент выполнения условий самовозбуждения при достижении током запуска граничного значения, УК определяют реальную чувствительность и навязывают фазу автоколебаниям. Этот эффект наблюдается при многократном запуске путем анализа спектра излучения СПП. В качестве критерия для оценки уровня УК предлагается использовать выходное соотношение сигнал/шум на выходе, которое определяется путем измерения соотношения амплитуд дискретных и шумовых составляющих спектра излучения СПП.
В пятой главе рассмотрены варианты практической реализации СПП диапазона СВЧ, рассчитываются основные характеристики СВЧ-автогенератора, приводятся электрические схемы и результаты экспериментальных исследований опытных образцов СПП для системы радиозондирования с повышенным потенциалом. Приведены результаты экспериментальных исследований СПП на полевых транзисторах Шотки (ПТШ), а также СПП стабилизированных диэлектрическими резонаторами (ДР), работающих в диапазоне 9 ГГц. Приведены результаты разработки систем СВЧ связи.
В заключении подведены итоги диссертационной работы и сформулированы её основные научные и практические результаты.
В приложении приведён список условных обозначений и аббревиатур, встречающихся в тексте диссертации, а также копии актов внедрения в производство разработанных СПП с повышенным потенциалом.
Анализ влияния флуктуационных шумов, действующих в приемном режиме
Необходимо оценить виды шумов наиболее существенно влияющих на чувствительность СПП в приемном режиме.
Наиболее существенными по влиянию являются тепловой и дробовой шум. Тепловой шум возникает вследствие случайных флуктуации скорости носителей заряда в резистивном материале, находящемся в тепловом равновесии с окружающей средой. Дробовой шум связан с прохождением тока через потенциальный барьер. Дробовой шум представляет собой ток, флуктуирующий случайно около среднего уровня, причем эти флуктуации возникают благодаря случайной дискретной природе эмиссии. Несмотря на различие физической природы этих видов шумов, считается, что структура шумовых сигналов обоих типов близка и может быть представлена последовательностью случайных импульсов, похожих по форме и случайно распределенных во времени. Статистический закон, описывающий распределение этих событий во времени - это функция плотности вероятности Пуассона [42]. Кроме того, существует шум, обусловленный рекомбинацией носителей в обедненном слое. Работы Р.Холла [43], В.Шокли, В.Рида [44] и др. показали, что при диффундировании носителей из той или иной объемной области в обедненную имеет место попадание некоторых носителей в, так называемые, ХШР-центры, расположенные внутри обедненного слоя, где они остаются все то время, которое определяется динамическими свойствами этого центра. Это приводит к импульсу тока во внешней цепи, а сумма таких импульсов от всех центров, находящихся в обедненном слое, образует рекомбинационный ток в этой цепи. Этот ток состоит из стационарной составляющей, на которую накладывается распределенные по случайному закону рекомбинационные флуктуации. Таким же образом, когда имеет место акт генерации на таком центре, носитель переходит из обедненной области в объемную, где создается токовый импульс и сумма таких импульсов представляет генерационный ток внешней цепи, который также состоит из постоянной составляющей и наложенных не нее распределенных по случайному закону генерационных флуктуации [41].
Следующий тип шума - токовый, или l/f-шум, фликкер-шум, характеризуется тем, что его спектральная плотность энергии изменяется в зависимости от частоты как / , где значение ф обычно лежит в диапазоне 0,8-1,2. Верхний предел фликкер-шума маскируется тепловыми или другими шумами и его влияние на работу устройств имеет смысл учитывать в низкочастотной области [45].
В различных твердотельных приборах иногда присутствует электрический по характеру шум, проявляющийся в виде случайных «всплесков» - биста-бильный (иногда, тристабильный) сигнал ступенчатой формы, однородный по амплитуде, со случайно распределенными интервалами времени между ступенями [43]. Взрывной шум может возникать не только в полупроводниковых структурах, но и в резистивных. Это явление имеет вид нерегулярно распределенных импульсов, наложенных на статистически регулярный шум тока. Характер этого шума значительно отличается от ступенчатых шумовых импульсов в приборах с р-п - переходом.
В полупроводниковых устройствах СВЧ диапазона, работающих на «горячих» электронах, таких как лавинно-пролетный диод, существует еще один вид шума - лавинный [43]. Механизм его возникновения связан с ионизирующими процессами, лежащими в основе процесса умножения, которые происходят случайно, создавая шум в токе лавинной ионизации. При низких частотах, значительно ниже частоты лавины, характер шума - «белый». На высоких частотах лавинный шум также присутствует, но его интенсивность и характер несколько меняются. Кроме лавинного шума в приборах на «горячих» электронах присутствует шум Джонсона, или неравновесный тепловой шум, связанный со случайными внутризонными флуктуациями носителей вследствие их повышенной температуры, и флуктуациями перехода носителей между энергетическими подзонами, соответствующими состояниями с высокой и низкой подвижностями [43].
Анализ рассмотренных видов шумов, присущих автогенераторам диапазона СВЧ на биполярных транзисторах, показывает, что флуктуации тока транзистора в основном определяются следующими составляющими: тепловым, дробовым коллекторным, дробовым эмиттерным, рекомбинационным шумами и шумом разделения эмиттерного тока на коллекторный и базовый [42]. Флик-кер-шум на сверхвысоких частотах маскируется тепловым и дробовым шумами, существенно превышающими его [43]. Другие виды шумов в биполярном транзисторе отсутствуют, либо пренебрежимо малы. Исследовательские работы по влиянию шумов на параметры автогенераторов в основном рассматривают стационарный режим работы устройства [46], что не учитывает особенностей работы сверхрегенеративного приемопередатчика с присущим ему приемным режимом.
Актуальным вопросом при проектировании СПП являются оценки предельной и реальной чувствительности приемного режима, минимального значения полосы пропускания контура на границе самовозбуждения автогенератора в условиях присутствия флуктуационных колебаний тока запуска, вызванных естественными и техническими шумами [16, 22] при условии многократного запуска СПП. Необходимо также исследовать влияние флуктуации затухания контура СПП на формирование полосы пропускания в граничном режиме. Исследование этих вопросов возможно путем компьютерного моделирования процессов происходящих в контуре СПП.
В конечном счете, определение факторов влияния на приемные параметры СПП путем решение основного уравнения сверхрегенератора в условиях воздействия флуктуационных шумов необходимо для создания реальных конструкций сверхрегенеративного приемопередатчика с повышенным потенциалом.
Расчет динамической регенеративной характеристики
В главе решается вторая и третья задачи исследований. Проведена количественная оценка влияния тепловых и дробовых шумов на предельную чувствительность СПП. Исследовано влияние флуктуации режимного тока запуска СПП на флуктуации фактора регенерации и величину полосы пропускания колебательного контура СПП в граничном режиме. Составлено неоднородное дифференциальное уравнение СПП с переменными коэффициентами. Составлена программа расчета дифференциального уравнения в среде пакета MAT-LAB. Определено влияния затухания контура, являющегося функцией режимного тока запуска, на величину полосы пропускания в приемном интервале работы СПП. Представлены расчетные графические зависимости амплитуды колебаний в контуре СПП при различных условиях запуска и воздействии квазигармонических флуктуационных сигналов.
Исследованию флуктуации в автоколебательных системах посвящено значительное количество работ. Однако в основном исследования проведены для стационарных режимов автогенераторов, используемых в качестве задающих генераторов и мощных источников колебаний [46]. Отличительной особенностью сверхрегенеративных приемопередатчиков является существенная зависимость параметров приемного и передающего режимов от условий запуска, когда реализуется режим самовозбуждения СПП при отрицательной величине затухания регенерированного контура ds О вблизи нулевых значений.
Чувствительность СПП в приемном режиме повышается при уменьшении модуля пускового затухания, имеющего в этот момент отрицательное значение ds 0, т.е. при приближении его абсолютного значения к нулю, поскольку при этом, соответственно, уменьшается эффективная полоса пропускания контура и нарастает время интегрирования входного сигнала. Но, как показывает экспериментальные исследования, при достижении некоторого минимального уровня модуля отрицательного затухания контура dr n 0 реальная чувствительность СПП далее не повышается, а напротив, начинает снижаться. Для СПП, находящегося в нелинейном режиме, это проявляется в виде резкого увеличения флуктуации времени задержки переднего фронта генерируемых СПП радиоимпульсов относительно переднего фронта импульса суперизации, и соответствующего снижения отношения сигнал/шум в выходном сигнале СПП. В общем случае, этот эффект может быть объяснен механизмом нарастания влияния флуктуации пускового тока Is на флуктуации пускового затухания регенерированного контура. В связи с этим, принципиально важно решить задачу количественной оценки уровня флуктуации затухания контура автогенератора вблизи нулевого значения d(t) 0 и определить, соответствующее этому режиму, значение минимальной эффективной полосы пропускания СПП при периодическом воздействии импульсов суперизации.
Максимальная добротность Q регенерированного контура СПП ограничивается влиянием медленных технических нестабильностей из-за изменения внешних факторов - температуры, питающих напряжений и т.д. Другой причиной этих нестабильностей являются естественные шумы, такие как низкочастотные l/f-шумы, взрывные, лавинные шумы, неравновесные тепловые. Поэтому в классических регенераторах добротность контура Q и усиление устройства удается увеличить не более чем в десятки раз. Влияние этих шумовых факторов проявляется на длительном интервале времени, превышающем период несущего колебания СПП на несколько порядков.
В отличие от классического регенератора, применение принципа сверхрегенеративного усиления, основанного на быстрой, параметрической знакопеременной коммутации затухания колебательного контура d{t) от положительных к отрицательными значениям и обратно, позволяет значительно повысить устойчивость и усиление устройства и снизить влияние медленных нестабиль-ностей, поскольку прием и усиление слабого внешнего сигнала, сравнимого с шумами в контуре СПП, происходит в течение приемного интервала работы, длительность которого составляет порядка несколько десятков - сотен периодов несущей частоты. Для достижения высокой реальной чувствительности и максимальной излучаемой мощности в СПП необходимо реализовать быстрый характер переходного процесса установления автоколебаний в его контуре. Известны технические решения, позволяющие значительно повысить стабильность параметров СПП и обеспечить его работоспособность с минимальным значением модуля отрицательного пускового затухания min. Однако результаты экспериментальных исследований СПП показывают, что при попытке дальнейшего уменьшения абсолютного значения затухания mjn происходит нарастание влияния его флуктуации и возникновение специфических шумов в выходном сигнале, ограничивающих рост чувствительности СПП. Следовательно, требуется определить минимальное значение полосы пропускания при периодическом запуске СПП.
Математическая модель СПП с учетом флуктуации амплитуды внешнего сигнала и затухания контура может быть представлена в виде нелинейного стохастического уравнения вида где и - напряжение на емкости контура, b[t,u, (t)] - декремент затухания контура, E[t, (t)] - внешнее воздействие в контуре, {#) - флуктуационная составляющая затухания, ф) - флуктуационная составляющая внешнего воздействия.
Общее решение этого уравнения (3.1) найти затруднительно даже путем осуществления численных расчетов. Упростить задачу можно за счет перехода к рассмотрению линейной модели, справедливой для малых флуктуационных воздействий, когда декремент затухания контура является только функцией времени д(0 и не зависит от амплитуды колебаний. Ввод такого ограничения оправдан в случае поиска решения на интервале приема, когда амплитуда собственных колебаний СПП ещё мала. Анализ шумов, присущих биполярным транзисторам в диапазоне СВЧ, предполагает учитывать наиболее существенные для приемного режима СПП флуктуации пускового тока (тепловые и дробовые) и флуктуации затухания регенерированного контура СПП. В этом случае, линейное стохастическое уравнение (3.1) может быть представлено в виде неоднородного уравнения с переменными коэффициентами. Однако и в этом случае методы численного решения требуют значительных затрат.
Исследование влияния режимного тока запуска на амплитуду флуктуа-ционных колебаний и полосу пропускания СПП
Выходные параметры СПП могут быть существенно повышены за счет усовершенствования конструкции СВЧ-автогенератора, отработки технологии их производства и настройки, применения современной элементной базы, позволяющей эффективнее реализовать технические возможности СПП. Это может быть использовано для дальнейшего повышения энергетического потенциала систем связи и радиолокации, использующих в своем составе СПП.
Важнейшим параметром СПП систем радиозондирования и цифровой связи является предельная чувствительность JVnp к импульсному запросному сигналу, которая, как показывают экспериментальные исследования, может быть доведена до значения минус 120 - 125 дБ/Вт. При этом происходит соответствующее уменьшение эффективной полосы пропускания СПП в приемном режиме. Этого результата можно добиться как тщательным подбором режима работы СПП, так и оптимальной обработкой ответного сигнала СПП в приемном устройстве радиолокатора. Особенно следует отметить, что при использовании СПП в радиозонде импульсная мощность передатчика запросного сигнала наземной РЛС в этом случае может быть снижена до 10-20 Вт (у серийно выпускающейся аппаратуры - 10 кВт), а средняя мощность излучения с учетом скважности составит менее 0,01 Вт при сохранении дальности связи радиосистемы в 200 - 250 км.
Флуктуации переднего фронта радиоимпульсов СПП в режиме передачи составляют (15 - 30) % среднего значения их длительности, т.е. СПП излучает значительный уровень шумовой мощности, снижающий отношение сигнал/шум на выходе приемного устройства РЛС. Уменьшить влияние собственных шумов СПП можно правильным выбором номинального значения супер-ирующей частоты, увеличением длительности суперирующих импульсов, эффективной обработкой ответного сигнала СПП в приемном устройстве.
Повышение добротности колебательного контура СПП способствует также увеличению реальной чувствительности и заметно упрощает технологию его настройки. Определенное повышение стабильности частоты приема и передачи может дать применение в качестве активного элемента СПП полевого транзистора, особенно при пониженном напряжении питания.
Совершенствование технологии полупроводникового производства привело к существенному повышению коэффициента усиления и выходной мощности современных транзисторов при напряжении питания в 2 - 3 раза меньшем, чем у ранее разработанных приборов. Современная транзисторная элементная база позволяет создавать СПП в диапазоне 1,5-2 ГГц, которые могут генерировать среднюю выходную мощность порядка 0,3 Вт (1,2 - 1,5 Вт в импульсе) при напряжении питания + (5 - 15) В и токе потребления 100-40 мА. Это дает возможность использовать в бортовых устройствах с СПП (например, в радиозондах), батареи питания с более низким значением рабочего напряжения (порядка +(5 - 15) В вместо используемой батареи с напряжением +27 В.
Важным требованием, предъявляемым к СПП, следует считать обеспечение совмещения частот приема и передачи. Первоначально для разработки опытного СПП был рассмотрен простейший вариант построения СПП по схеме с общим коллектором. Совмещение частот приема и передачи в этом случае оказывается возможным только за счет выбора модуля коэффициента обратной связи, что не всегда совпадает с условием достижения максимума выходной мощности СПП. Анализ электрических схем СВЧ-автогенератора показал целесообразность использования включение транзистора по схеме с общей базой, а взаимное смещение частот в приемном режиме и передающем режимах СПП и в стационарном режиме (режим передачи) регулировать изменением резонансной частоты эмиттерного контура по отношению к частоте коллекторного контура. Это позволяет управлять модулем и фазой коэффициента обратной связи. При этом уровень выходной мощности и КПД сверхрегенератора оказываются близки к максимально достижимым значениям. Недостатком такого подхода является трудность достижения полного совмещения частот, поэтому в следующем разделе главы будут рассмотрены некоторые вопросы построения СПП, включенного по схеме с общей базой с использованием высокодобротного диэлектрического резонатора (ДР) в цепи обратной связи, что помогает устранить эту проблему.
Рассмотрим параметры электрической схемы СПП, (рис.37) и расчетную модель автогенератора по материалам работы [53.А]. Индуктивность общего электрода транзистора, в частности индуктивность вывода базы, оказывает существенное влияние на величину обратной связи (ОС) в СВЧ-автогенераторе. Однако достаточно полного учета действия этого фактора на параметры СВЧ-автогенератора СПП в литературе не рассматривается.
Для учета 1б требуется провести анализ формирования ОС в СПП, реализованного по схеме с общей базой. Далее предполагается, что ток обратной связи /ос, протекающий через емкость коллектор - база Ск, коллектор - эмиттер Скэ, возбуждает в эмиттерном контуре ток, текущий через эмиттерный переход и являющийся входным переменным током транзистора /вх э (/е(0 ).
Моделирование суммарного воздействия ударных и флуктуационных колебаний
В настоящее время наземные РЛС системы радиозондирования (СР) атмосферы Росгидромета РФ выработали ресурс и плохо обслуживаются технически. Все это привело к значительному снижению мощности передатчиков запросного сигнала. Для сохранения оперативной дальности работы СР потребовалось разработать СПП радиозондов с чувствительностью на 1 ОдБ выше чувствительности серийных приборов. На основе результатов исследований были осуществлены разработки опытных образцов СПП аэрологических радиозондов с повышенным потенциалом.
На основе электрической схемы СПП (рис.37) разработана конструкция модуля сверхрегенератора на частоту 1780 (1680) МГц, выполненная на печатной плате из материала ФАФ-4. На рис.42 показан вид со стороны поверхностного монтажа. Высокочастотные элементы электрической схемы СВЧ-автогенератора (дроссели, резонаторы) моделировались в пакете Microwave Office и реализованы в виде микрополосковых линий (МПЛ) с различным волновым сопротивлением. Общий проводник электрической схемы по постоянному и переменному токам конструктивно расположен на противоположной металлизированной стороне платы. Выводы питания и управления СВЧ- автогенратора имеют одноименные названия К, Б, Э. Обозначенные (рис.42) основные конструктивные элементы имеют следующее назначение: 1. Микрополосковый резонатор в цепи эмиттера, W1; 2. Микрополосковый резонатор в цепи базы, W2; 3. Блокировочный конденсатор по СВЧ в цепи питания коллектора С1; 4. Блокировочный конденсатор по НЧ в цепи питания коллектора С2; 5. Резистор в цепи питания коллектора R]; 6. СВЧ-транзистор VT1; 7. Блокировочный конденсатор по СВЧ в цепи питания эмиттера СЗ; 8. Резистор в цепи питания эмиттера; 9. Выход СВЧ; 10.Микрополосковый резонатор в цепи коллектора W3; 11 .Блокировочный конденсатор по СВЧ в цепи питания базы С4. Предварительная настройка СВЧ-автогенератора осуществляется на раз работанном лабораторном стен- 1 де с волновым сопротивлением линий связи и нагрузки в 50 Ом. Структурная схема стенда приведена на рис.43. Необходимые 3 измерительные приборы подключаются с помощью калиброванного направленного ответви- 5 теля (НО). При окончательной настройке СПП с работой на ан тенну, модуль подключают к радиоблоку, с которым осуществлялась его предварительная настройка. Основными выходными параметрами, контролируемыми при настройке СПП, являются: 1. частота излучения СПП; 2. выходная мощность; 3. чувствительность к запросному сигналу; 4. совмещение частот приема и излучения; 5. спектр излучения СПП. Для нормального функционирования СПП требуется подобрать длины МПЛ Wl, W2, W3 при которых достигается оптимальное соотношение активной нагрузки и величины обратной связи в СПП необходимые для осуществления сверхрегенеративного режима работы на рабочей частоте. Дополнительная регулировка постоянной времени цепи автосмещения (в цепи питания базы СВЧ-транзистора) обеспечивает необходимую стабильность работы СПП в режиме высокой реальной чувствительности. Рабочая частота СПП определяется длиной МПЛ Wl, W2, W3. Увеличение длины любой МПЛ приводит к монотонному уменьшению частоты излучения. В тоже время, изменение длины любой МПЛ приводит одновременно к изменению величины обратной связи в СПП и сопротивления активной нагрузки. Поэтому процесс настройки имеет итерационный характер. Величина нагрузки СПП определяется местом подключения выходной МПЛ «Вых. СВЧ» к МПЛ W3 в цепи коллектора. Смещение места включения «Вых. СВЧ» к разомкнутому концу МПЛ приводит к увеличению нагрузки СПП и, как правило, к увеличению выходной мощности, но снижению реальной чувствительности и наоборот. Наиболее существенно влияние на работу МПЛ W2, включенной в цепи базы, поскольку она в значительной степени определяет величину обратной связи в СПП, имитируя регулируемую индуктивность. Увеличение ее длины / при условии / Х/4 приводит к увеличению коэффициента обратной связи, повышению реальной чувствительности.
МПЛ W3 в цепи эмиттера влияет на величину обратной связи, смещение частоты приема относительно частоты излучения.
Частота приема СПП определяется параметрами СВЧ-транзистора и эквивалентными длинами резонаторов Wl, W2, W3 и слабо зависит от напряжения питания. Частота излучения, кроме того, зависит от амплитуды импульсного тока коллектора СВЧ-танзистора. Чем больше амплитуда тока, тем ниже частота излучения по отношению к частоте приема. Поэтому при увеличении сопротивления резисторов в цепи базы или цепи эмиттера снижается амплитуда тока коллектора и возрастает частота излучения по отношению к частоте приема.
Известно, что увеличение емкости конденсатора в цепи автосмещения базы приводит к повышению устойчивости работы СПП, но снижает уровень вторичной ответной реакции [29]. Однако уменьшение величины сопротивления резисторов в цепи базы и эмиттера способствует повышению реальной чувствительности СПП. Эти зависимости можно использовать для регулировки совмещения частот приема и передачи.
Следует подчеркнуть, что в режиме совпадения частот приема и передачи СПП работает наиболее устойчиво в условиях эксплуатации, поскольку нет избыточности в реальной чувствительности прибора, которая получается при значительном (более 5 МГц) смещении частоты приема относительно частоты излучения. На рис.43 показана структура стенда разработанного для экспериментального исследования и настройки СПП [56.А]. Одной из важных практических задач, стоящих в диссертационной работе, является разработка улучшенных по сравнению с серийными прототипами модулей СПП для отечественной системы радиозондирования.
