Выходной каскад свч-автогенератора сверхрегенеративного приемо-передатчика радиозонда

Полезная модель относится радиотехнике и может быть использована для измерения дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использована для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств. Технической задачей полезной модели является повышение эксплуатационных качеств радиозондов, за счет:

- создание схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего повысить стабильность режима работы приемопередатчика, а именно, мощности излучения и чувствительности;

- технологической прозрачности решения этой задачи;

- снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения количества активных элементов и увеличения КПД, т.е. увеличение времени работы АРЗ;

- снижения стоимости производства;

- снижения массогабаритных характеристик АРЗ.

Для решения поставленной задачи предлагается СПП, содержащий регулирующий транзистор, выходной СВЧ-транзистор, шину питания и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор соединен с шиной питания, а непосредственно - с коллектором транзистора СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора

через четвертый резистор соединен с базой выходного транзистора и вторым концом четвертого конденсатора, первый конец которого является входом всего выходного каскада; СВЧ-транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем /4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной </4 играют роль емкости, а >/4 - роль индуктивности; первый конденсатор включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор - между базой и коллектором, третий конденсатор - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый - между базой СВЧ-транзистора и входом каскада; эмиттер регулирующего транзистора соединен с коллектором СВЧ-транзистора через резистор и микрополосковый отрезок, а коллектор СВЧ-транзистора через микрополосковый отрезок соединен с антенной радиозонда. 5 илл.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах радиозондирования атмосферы для измерения дальности до аэрологических радиозондов (АРЗ) импульсным методом и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использована для построения высокостабильных и экономичных приемо-передающих устройств.

Отечественные системы радиозондирования атмосферы построены по угломерно-дальномерному методу измерения координат, скорости и направления движения радиозонда в свободной атмосфере. Измерение угловых координат: - азимута (), угла места (), а, также, наклонной дальности (R_н ) импульсным методом с активным ответом, особенно эффективным оказалось при использовании в составе радиозондов сверхрегенеративных приемопередатчиков (СПП). Интенсивное излучение СПП обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП позволяет сформировать ответный сигнал по дальности при пониженной мощности передатчика запросного радиоимпульса РЛС. Весьма важным, в конечном счете, оказывается тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации работают на одной несущей частоте.

Общей проблемой приемо-передающих устройств АРЗ является создание недорогих конструкций высокостабильных по радиотехническим параметрам, т.е. независимым от окружающей температуры, изменения напряжения питания и изменения согласования с антенной.

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий соединенные последовательно генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор и антенну, источник питания, первый выход которого

соединен с вторыми выходами автогенератора и генератора суперирующих импульсов, причем автогенератор включает в себя транзистор и резонатор, входы и выходы которого являются одноименными входами и выходами автогенератора, а база, коллектор и эмиттер транзистора соединены соответственно с первым, вторым входами и вторым выходом резонатора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности параметров, в него введен блок стабилизации среднего тока, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и первым выходами источника питания, а первый и второй выходы - с вторым и первым входами автогенератора, см. патент РФ №1106262. В этом патенте введен стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора, который используется во всех типах радиозондов выпускаемых промышленностью РФ. Описание стабилизатора среднего тока приведено в книге (см. стр.551-554): Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк С.П. «Радиозондирование атмосферы. Технические и метрологические аспекты разработки и применения радиозондовых измерительных средств», под ред. В.Э.Иванова. Екатеринбург. УрО РАН. 2004. 596 с. ISBN 5-7691-1513-0. ПРОТОТИП.

СВЧ - автогенератор построен по патенту РФ №2291467.

Недостатками прототипа являются построение стабилизатора по сложной электронной схеме, содержащей излишнее количество радиоэлементов, что приводит к повышенному потреблению энергии от бортового источника питания, что приводит к уменьшению времени работы АРЗ в полете, а значит к уменьшению количества получаемой метеорологической информации, а т.к. только в РФ запускается до 200000 АРЗ в год, то объем недополученной метеоинформации недопустимо велик.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств радиозондов, за счет:

- создание схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего повысить стабильность режима работы приемопередатчика, а именно, мощности излучения и чувствительности;

- технологической прозрачности решения этой задачи;

- снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения количества активных элементов и увеличения КПД, т.е. увеличение времени работы АРЗ;

- снижения стоимости производства;

- снижения массогабаритных характеристик АРЗ.

Для решения поставленной задачи предлагается СПП, содержащий регулирующий транзистор, выходной СВЧ-транзистор, шину питания и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор соединен с шиной питания, а непосредственно - с коллектором транзистора СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора через четвертый резистор соединен с базой выходного транзистора и вторым концом четвертого конденсатора, первый конец которого является входом всего выходного каскада; СВЧ-транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем /4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной </4 играют роль емкости, а >/4 - роль индуктивности; первый конденсатор включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор - между базой и коллектором, третий конденсатор - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый - между базой СВЧ-транзистора и входом каскада; эмиттер регулирующего транзистора соединен с коллектором СВЧ-транзистора через

резистор и микрополосковый отрезок, а коллектор СВЧ-транзистора через микрополосковый отрезок соединен с антенной радиозонда.

На фиг.1 изображены графики, поясняющие принцип работы СПП с жестким характером установления автоколебаний; на фиг.2 приведена зависимость затухания контура СПП от амплитуды колебаний; на фиг.3 - принципиальная электрическая схема стабилизатора тока СВЧ-автогенератора; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда со стабилизатором тока по предлагаемой схеме, на фиг.5 - принципиальная электрическая схема сверхрегенеративного приемопередатчика со стабилизатором тока СВЧ-автогенератора..

СПП, содержит регулирующий транзистор VT1, выходной СВЧ-транзистор VT2, шину питания Ек и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый R1-R4 резисторы, первый, второй, третий и четвертый С1-С4 конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор VT1 выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя R1-R2, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания Ек и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор R3 соединен с шиной питания Ек, а непосредственно - с коллектором транзистора VT2 СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора VT1 через четвертый резистор R4 соединен с базой выходного транзистора VT2 и вторым концом четвертого конденсатора С4, первый конец которого является входом всего выходного каскада; СВЧ-транзистор VT2 включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем /4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора VT2 и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной </4 играют роль емкости, а >/4 - роль индуктивности; первый конденсатор С1 включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор С2 -

между базой и коллектором, третий конденсатор С3 - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый конденсатор С4 - между базой СВЧ-транзистора VT2 и входом каскада; эмиттер регулирующего транзистора VT1 соединен с коллектором СВЧ-транзистора VT2 через резистор R5 и микрополосковый отрезок W4, а коллектор СВЧ-транзистора VT2 через микрополосковый отрезок W6-W7 соединен с антенной радиозонда.

Указанные узлы принципиальной электрической схемы могут быть выполнены на следующих электрорадиоэлементах: VT1 и VT2 - СВЧ-транзисторы типа 2Т975А (Мощные полупроводниковые приборы, транзисторы. Справочник, под ред. А.В.Голомедова, М, Р и С, 1985, стр.503; конденсаторы С1-С5 безвыводные, типа К 10-47 «В» (Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И.Чистякова, М, Р и С, 1990, стр.403); МПЛ-отрезки и дроссели на микрополосковых линиях, (Справочник по элементам полосковой техники, под ред. А.Л.Фильдштейна, М, Связь, 1979, стр.20); резисторы типа Р1-12 (Справочная книга радиолюбителя-конструктора, под ред. П.И.Чистякова, М, Р и С, 1990, стр.381).

Принципиальные особенности функционирования СПП можно пояснить, анализируя его работу в течение одного периода суперирующей частоты. На фиг.1 изображены: - U_c - напряжение суперирующей частоты, характеризующееся периодом Т_c и длительностью _c; _(t) - закон изменения декремента затухания контура СВЧ автогенератора; - U_изл - огибающая радиоимпульса излучаемого СПП длительностью _и.

СПП периодически включается в момент появления суперирующего импульса U_c и выключается по его окончании на интервале демпфирования _д. Колебательная система СПП в выключенном состоянии характеризуется собственным затуханием ₀. Изменение затухания контура в течение импульса суперизации _c определяет процесс развития и установления колебаний в стационарном режиме.

Для обеспечения высокой чувствительности в приемном режиме необходимо осуществлять включение СВЧ автогенератора с минимальным

значением пускового отрицательного затухания _п.Для достижения максимальной выходной мощности пропорциональной A _cт в СПП требуется увеличивать отрицательное затухание в области средних и больших амплитуд для данного типа активного прибора автогенератора. Для осуществления этих противоречивых требований оказалось необходимым реализовать в контуре СПП режим жесткого установления колебаний. Данный результат может быть получен при анализе упрощенного варианта нелинейного уравнения автогенератора, не учитывающего влияние слабого внешнего сигнала на стационарную амплитуду:

Качественный анализ уравнения позволяет выяснить особенности поведения функции (t, A) во временной области (Фиг.1) и в зависимости от амплитуды колебаний А (Фиг.2). Исследование различных вариантов реализации функции (t, A) показывают, что, в отличие от рекомендуемого в известной литературе [1] мягкого режима установления колебаний в классическом сверхрегенераторе, в СПП необходимо реализовать переходной процесс с жестким характером установления колебаний. В этом случае запуск СПП может происходить с минимальным отрицательным затуханием _п, что обеспечивает минимальную полосу пропускания и высокую чувствительность. Установление стационарного режима происходит в области максимальных значений амплитуд А _ст, следовательно, при высоком уровне выходной мощности. Необходимо подчеркнуть, что изменение пускового затухания _п практически не влияет на А _ст.Это позволяет, в конечном счете, раздельно и эффективно регулировать параметры приемного и передающего режимов работы СПП.

Максимум отрицательного затухания в области средних значений амплитуд обеспечивает быстрый переход от приемного к передающему режиму работы СПП. Это способствует формированию практически прямоугольных радиоимпульсов и симметричного спектра излучения СПП, характерного для

последовательности радиоимпульсов. Таким образом, по-существу, СПП является приемопередатчиком с временным разделением приемного и передающего режимов работы.

Сверхрегенеративный эффект усиления сводится к сокращению времени задержки _з переднего фронта радиоимпульсов СВЧ автогенератора на величину _з при появлении внешнего сигнала U_зс в течение приемного интервала работы _пр, примыкающего к моменту запуска СПП. Уровень выходного сигнала СПП в зависимости от уровня запросного сигнала в режиме первичной реакции можно оценить с помощью упрощенного выражения:

где

A - эффективная амплитуда шумов в контуре СПП в момент запуска; A_c - амплитуда внешнего сигнала.

Приведенные выражения показывают, что эффект усиления _з в основном определяется величиной пускового затухания _п.Возникновение автоколебаний происходит при пусковом затухании _п=0, когда ток коллектора активного прибора равен граничному значению I_к=I _гр. Развитие автоколебаний происходит при _п>0, которое определяется пусковым током автогенератора I_п>I _гp в момент включения. Таким образом, изменением величины I_п осуществляется регулировка времени задержки _з и эффекта усиления - приращения времени задержки _з

Практически в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП пусковой ток в течение приемного интервала превышает граничное значение всего на десятки-сотни мкА. Далее постоянная составляющая тока коллектора I_ко изменяется синхронно с амплитудой автоколебаний за счет жесткого характера переходного процесса до максимальных значений для данного активного прибора вплоть до установления стационарного режима. При этом

стационарные амплитуды А_ст и I_ко не зависят от величины пускового тока. Необходимо отметить, что среднее значение постоянного тока коллектора за период суперизации I_{к ср} определяется соотношением _з и _с.Поскольку величина _з регулируется пусковым током I _п, то оказывается, что регулировка среднего тока I _{к ср} вызывает соответствующее изменение пускового тока СВЧ-автогенератора. Таким образом стабилизация I _{к ср} позволяет осуществить стабилизацию _з, следовательно, чувствительность и полосу пропускания в приемном режиме, а также длительность и мощность излучаемых радиоимпульсов СПП _и. Соответственно выбор длительности суперирующих импульсов _с позволяет оптимизировать соотношение чувствительности и излучаемой средней мощности СПП.

Работа стабилизатора осуществляется следующим образом. Стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора выполнен на транзисторе VT1; резисторах R1, R2, R3, R4; конденсаторах С1, С2, С3, С4. Резисторы R1, R2 образуют цепочку смещения базы транзистора VT1. На резисторе R3 средний ток коллектора СВЧ-автогенератора VT2 создает падение напряжения, которое является запирающим для транзистора VT1. Величина тока I_{к ср} регулируется выбором соотношения резисторов R1, R2. При нарастании тока I _{к ср} под действием дестабилизирующих факторов транзистор VT1 будет запираться и уменьшать ток базы СВЧ-транзистора, возвращая к заданному значению. При уменьшении тока I_{к ср} процесс стабилизации идет в обратном направлении.

Конденсаторы C1, C2, С3 включены таким образом, что они обеспечивают эффективную фильтрацию импульсов тока коллектора и соответствующий сдвиг фазы возмущающего воздействия по цепи обратной связи, образованной транзистором VT1 с целью максимального снижения влияния импульсов тока коллектора на приемный режим СПП.

Цепь смещения R1, R2 обеспечивает коррекцию тока I_{к ср} при изменении напряжения питания цепи коллектора Е _к таким образом, что чувствительность СПП остается постоянной. Так при повышении напряжения

питания Е _к повышается чувствительность и снижается стабильность работы СПП. Поскольку напряжение смещения базы транзистора VT1 также повышается, происходит соответствующее увеличение тока коллектора I_{к ср}, при этом чувствительность СПП стабилизируется.

Необходимо подчеркнуть, что введение стабилизатора тока существенно облегчает настройку приемопередатчика в условиях производства, поскольку величина тока остается оптимальной при всех режимах итерационной регулировки устройства.

Усовершенствование конструкции и технологии производства СПП позволило повысить его чувствительность до -90÷100 дБ/Вт при средней мощности излучения 180÷250 мВт и к.п.д. не менее 20%. Данный приемопередатчик АРЗ обеспечивает точное измерение наклонной дальности наземной РЛС до 200-300 км с погрешностью не хуже ±30 м, при малом уровне запросной мощности. Так импульсная мощность передатчика РЛС составляет 200 Вт, средняя - 0,1 Вт. Передача телеметрических сигналов АРЗ осуществляется на этой же частоте путем частотной модуляции суперирующих импульсов, т.е на одной несущей частоте осуществляется измерение всех координат АРЗ: угол места, азимут, дальность и осуществляется передача телеметрических сигналов метеорологических величин.

1. Выходной каскад СВЧ-автогенератора сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда, содержащий регулирующий транзистор, выходной СВЧ-транзистор, шину питания и нулевую шину, первый, второй, третий и четвертый резисторы, первый, второй, третий и четвертый конденсаторы со следующими соединениями: регулирующий транзистор выполнен по схеме с общим эмиттером, причем база транзистора соединена со средней точкой резистивного делителя, выполненного на первом и втором резисторах, концы делителя соединены с шиной питания и нулевой шиной; эмиттер регулирующего транзистора через третий резистор соединен с шиной питания, а непосредственно - с коллектором транзистора СВЧ-автогенератора: коллектор регулирующего транзистора через четвертый резистор соединен с базой выходного транзистора и вторым концом четвертого конденсатора, первый конец которого является входом всего выходного каскада.

2. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что СВЧ-транзистор включен по схеме с общим эмиттером, а электрическая схема выполнена на микрополосковых отрезках, причем длина их берется заведомо большей, чем /4, а в процессе настройки длина отрезков выбирается в зависимости от величин паразитных емкостей и индуктивностей СВЧ-транзистора и конкретной топологии автогенератора, учитывая, что отрезки длиной </4 играют роль емкости, а >/4 - роль индуктивности.

3. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что первый конденсатор включен между коллектором регулирующего транзистора и нулевой шиной, второй конденсатор - между базой и коллектором, третий конденсатор - между эмиттером и нулевой шиной, четвертый - между базой СВЧ-транзистора и входом каскада.

4. Выходной каскад по п.1, отличающийся тем, что эмиттер регулирующего транзистора соединен с коллектором СВЧ-транзистора через резистор и микрополосковый отрезок, а коллектор СВЧ-транзистора через микрополосковый отрезок соединен с антенной радиозонда.