RU2784448C1 - Аэрологический радиозонд с повышенными эксплуатационными характеристиками - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиолокации, и может быть использовано для регулировки чувствительности и взаимного положения частоты приема и передачи сверхрегенеративных приемопередающих устройств аэрологических радиозондов (АРЗ). Технический результат - повышение точности передачи полученной метеорологической информации с АРЗ на наземную РЛС сопровождения при различных условиях эксплуатации от плюс 50 °С в нижних слоях атмосферы до минус 90 °С в верхних слоях. Он достигается за счет точности настройки частот приема и передачи, повышения чувствительности СПП, упрощения технологии регулировки в условиях производства и стабильности параметров в условиях эксплуатации за счет введения высокодобротного СВЧ-резонатора путем: создания схемотехнического и конструктивного решения, позволяющего устранить влияние регулировки чувствительности на взаимное смещение частоты приема и несущей частоты СПП при настройке в условиях серийного производства, тем самым повысить чувствительность СПП, уменьшить мощность излучения РЛС и повысить стабильность режима работы СПП при повышении технологичности настройки СПП и надежности его работы во время всего полета АРЗ. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокационных системах зондирования атмосферы для измерения наклонной дальности радиоимпульсным методом до аэрологического радиозонда (АРЗ) снабженного сверхрегенеративным приемопередатчиком (СПП), его пеленгации по угловым координатам и передачи телеметрической информации на РЛС сопровождения на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных сверхрегенеративных приемопередающих устройств систем радиолокации и связи.

Отечественные системы радиозондирования атмосферы, (СР) построены по угломерно-дальномерному методу измерения координат, скорости и направления движения радиозонда в свободной атмосфере. Измерение угловых координат: - азимута (β), угла места (ε), а, также, наклонной дальности (R_н) осуществляется радиоимпульсным методом с активным ответом. Особенно эффективным оказалось использование в составе радиозондов сверхрегенеративных приемопередатчиков-ответчиков (СПП). Интенсивное излучение СПП обеспечивает надежную передачу телеметрической информации и сопровождение по угловым координатам. Высокая чувствительность СПП к радиоимпульсному запросному сигналу позволяет сформировать ответный сигнал по дальности в виде короткой паузы в излучении СПП при пониженной мощности передатчика запросных радиоимпульсов РЛС. Весьма важным, в конечном счете, оказывается тот факт, что система определения координат и канал передачи телеметрической информации системы радиозондирования работают на одной несущей частоте (см. В.И. Ермаков и др. "Системы зондирования атмосферы", Гидрометеоиздат, 1977, с. 247-249)..

Общей проблемой в АРЗ является сложность регулировки выходных параметров СПП вследствие их взаимного влияния, затрудняющего процесс настройки и обеспечения оптимальных соотношений чувствительности и излучаемой мощности, взаимного положения частоты приема и передачи СПП при серийном производстве.

Также проблемой производства и эксплуатации АРЗ является создание недорогих конструкций приемо-передающих устройств, стабильных по радиотехническим параметрам в условиях изменения давления, окружающей температуры среды, напряжения питания и параметров антенной системы АРЗ.

Известен приемо-передатчик, содержащий сверхрегенеративный приемник включающий, автогенератор, генератор суперирующего напряжения, блок обработки принятого сигнала, усилитель, компаратор, контур связи, приемную антенн. Передающее устройство принципиально работает независимо от сверхрегенеративного приемника (см. патент US 5630216, ЕР 1411644 В1).

Известен СПП аэрологического радиозонда содержащий колебательную систему СВЧ-автогенератора на микрополосковых линиях, генератор суперирующего напряжения включенный последовательно через инерционную цепь автосме-щения в цепь базы транзистора СВЧ-автогенератора, выход которого связан с приемо-передающей антенной АРЗ, стабилизатор напряжения питания, стабилизатор тока СВЧ транзистора. СВЧ-автогенератор СПП построен по двухрезонаторной схеме, реализованной на микрополосковых линиях. Введение резонатора в цепи эмиттера позволяет в некоторых пределах регулировать модуль и фазу коэффициента обратной связи СВЧ-автогенератора СПП и тем самым, повысить чувствительность СПП (см. патент РФ №2172965. Сверхрегенеративный приемопередатчик).

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда, СВЧ-автогенератор которого подключен к антенной системе АРЗ через полосовой фильтр, который позволяет снизить влияние активных внешних помех и развязать антенну АРЗ от цепи коллектора СВЧ-транзистора по постоянному току (см. патент РФ №56001 на полезную модель. Приемопередатчик аэрологического радиозонда).

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик радиозонда, СВЧ-автогенератор которого построен по наиболее совершенной трехрезонаторной схеме, реализованной на микрополосковых линиях. Введение третьего резонатора в цепь базы позволило раздельно регулировать модуль и фазу коэффициента обратной связи СВЧ-автогенератора и, следовательно,- настраивать чувствительность и выходную мощность СПП (см. патент РФ №50682 на полезную модель. Сверхрегенеративный приемопередатчик - прототип).

Известен СПП аэрологического радиозонд, содержащий СВЧ-автогенератор, колебательную система которого реализована на микрополосковых линиях, генератор суперирующего напряжения, инерционную цепь автосмещения с регулируемой постоянной временив, стабилизатор напряжения питания, стабилизатор тока СВЧ-автогенератора, приемо-передающую антенну АРЗ с регулируемым импедансом (см. патенты РФ №2214614, №104326).

Известен СПП радиозонда, содержащий генератор суперирующего напряжения, инерционную цепь автосмещения, стабилизатор среднего тока коллектора, стабилизатор напряжения питания, источник питания, СВЧ-автогенератор, СВЧ полосовой фильтр, приемопередающую антенну, см. патент РФ №2291467, Сверхрегенеративный приемопередатчик - ПРОТОТИП.

Недостатком известных технических решений и ПРОТОТИПА является существенная взаимозависимость несущей частоты излучения и частоты приема при регулировке чувствительности СПП, недостаточная стабильность несущей частоты в условиях эксплуатации при изменении температуры среды.

В предлагаемом техническом решении это влияние практически полностью устранено.

Технической задачей изобретения является повышение точности передачи полученной метеорологической информации с АРЗ на наземную РЛС сопровождения при различных условиях эксплуатации от плюс 50 °С в нижних слоях атмосферы до минус 90 °С в верхних слоях.

Технический результат достигается за счет точности настройки частот приема и передачи, повышение чувствительности СПП, упрощения технологии регулировки в условиях производства и стабильности параметров в условиях эксплуатации:

- создания схемотехнического и конструктивного решения, позволяющего устранить влияние регулировки чувствительности на взаимное смещение частоты приема и несущей частоты СПП при настройке в условиях серийного производства, тем самым, повысить чувствительность СПП, уменьшить мощность излучения РЛС и повысить стабильность режима работы СПП при повышении технологичности настройки СПП и надежности его работы во время всего полета АРЗ за счет введения полосового СВЧ-фильтра в цепи базы СВЧ-автогенератора

Для решения поставленной задачи предлагается аэрологический радиозонд АРЗ с повышенными эксплуатационными характеристиками, характеризующийся тем, что его сверхрегенеративный приемопередатчик СПП содержит следующие элементы: источник питания; стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора, стабилизатор напряжения питания СВЧ-автогенератора, генератор суперирующего напряжения ГСН, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор на транзисторе, полосовой СВЧ-фильтр, приемопередающую антенну АРЗ и имеет следующие соединения: источник питания соединен со стабилизатором напряжения, первый выход которого соединен со стабилизатором среднего тока СВЧ-автогенератора, а второй выход соединен с входом питания генератора суперирующего напряжения ГСН, выход которого соединен с входом инерционной цепи автосмещения; первый выход стабилизатора тока соединен с входом питания СВЧ-автогенератора, а второй выход стабилизатора тока соединен с выходом инерционной цепи автосмещения и входом транзистора СВЧ-автогенератора, цепь базы транзистора через конденсатор и полосовой СВЧ-фильтр соединена с общей шиной, а выход\вход СВЧ-автогенератора соединен с приемопередающей антенной; вход модуляции телеметрическим сигналом подключен к генератору суперирующего напряжения.

Для пояснения принципа работы СПП и сути предполагаемого изобретения приведены следующие структурные, электрические схемы и графики:

Фиг. 1 - Структурная схема сверхрегенеративного приемопередатчика аэрологического радиозонда;

Фиг. 2 - Зависимость затухания контура СВЧ-автогенератора от амплитуды автоколебаний в различных режимах работы;

Фиг. 3 - Осциллограммы сигналов, поясняющие принцип работы СПП с жестким характером установления автоколебаний, действующих в различных точках СПП;

Фиг. 4 - Графики, поясняющие принцип безударного запуска СВЧ-автогенератора СПП;

Фиг. 5 - а) График изменения частоты автоколебаний в режиме процесса установления автоколебаний; б) график изменение импульсного тока эмиттера СВЧ-транзистора в процессе установления автоколебаний;

Фиг. 6 - Функциональная схема СПП, включающая генератор суперирующего напряжения, инерционную цепь автосмещения, стабилизатор тока и СВЧ-АГ сверхрегенеративного приемопередатчика АРЗ.

Фиг. 7 - а) Амплитудно-частотная характеристика полосового СВЧ-фильтра;

б) Спектр излучения СПП радиозонда.

Фиг. 8 - Принципиальная схема СВЧ-автогенератора СПП с полосовым фильтром в цепи базы СВЧ транзистора.,

Фиг. 9 - Принципиальная схема СВЧ-автогенератора СПП с полосовым фильтром в цепи эмиттера СВЧ транзистора.

Структурная схема СПП (фиг. 1) имеет следующие соединения: источник питания - 1 соединен со стабилизатором напряжения - 3, первый выход последнего соединен со стабилизатором тока - 4; первый выход стабилизатора тока - 2 соединен с входом питания СВЧ-транзистора - 6, а второй выход стабилизатора тока - 2 соединен с выходом инерционной цепи автосмещения - 5 и входом СВЧ-транзистора - 6, цепь базы которого через полосовой СВЧ-фильтр - 7 соединена с общей шиной, а выход\вход СВЧ-автогенератора соединен через конденсатор с приемопередающей антенной; вход модуляции телеметрическим сигналом подключен к генератору суперирующего напряжения.

Принципиальные особенности функционирования СПП можно пояснить, анализируя его работу в течение одного периода суперирующей частоты Т_с, (фиг. 3). На фиг. 3 показаны: - U_изл - огибающая радиоимпульсов излучаемых СПП длительностью τ_и; - U_c - напряжение суперирующей частоты, характеризующееся периодом Т_с и длительностью τ_с; δ(τ) - закон изменения декремента затухания контура СВЧ-автогенератора; I_эо - видеоимпульсы постоянного тока эмиттера СВЧ-транзистора.

СВЧ-автогенератор (СВЧ-АГ) периодически включается в момент t₁ появления суперирующего импульса U_c и выключается в момент t₃ по его окончании. СВЧ колебания на интервале демпфирования τ_д затухают до уровня флуктуационных шумов. Для рассматриваемого примера применения СПП в составе АРЗ, несущая (рабочая) частота СВЧ-АГ находится в пределах 1680±10 МГц. Частота импульсов суперирующего напряжения составляет 800±10 кГц (период Т_с=1,25 мкс). Колебательная система в выключенном состоянии СПП характеризуется собственным затуханием δ₀. Изменение затухания контура в течение импульса суперизации τ_с определяет процесс развития и установления автоколебаний в СВЧ-автогенераторе СПП (фиг. 2). Характер процесса установления существенно влияет на параметры СПП и зависит от режима работы СВЧ-АГ.

Сверхрегенеративный эффект усиления сводится к сокращению времени задержки τ_з переднего фронта радиоимпульсов СВЧ-АГ на величину Δτ_з при появлении внешнего сигнала U_зс в течение приемного интервала работы τ_пр, примыкающего к моменту запуска СПП. Соответственно возрастает длительность радиоимпульса и его энергия. Уровень выходного сигнала СПП Δτ_з в зависимости от уровня запросного сигнала в режиме первичной реакции можно оценить с помощью выражения [1]:

где

А_Σ - эффективная амплитуда шумов в контуре СПП в момент запуска;

А_с - амплитуда внешнего сигнала.

Приведенные выражения (1) показывают, что эффект усиления Δτ_з в основном определяется величиной отрицательного пускового затухания δ_п. Возникновение автоколебаний происходит при пусковом затухании δ_п<0, когда ток эмиттера активного прибора превышает граничное значение I_эо≥I_гр. Развитие автоколебаний происходит при δ_п<0, которое определяется пусковым током автогенератора I_п>I_гр в момент запуска. Поэтому изменение величины I_п приводит к регулировке времени задержки τ_з и эффекта усиления - приращения времени задержки Δτ_з.

Измерение наклонной дальности до радиозонда снабженного СПП осуществляется путем измерения времени задержки между моментом подачи коротких запросных радиоимпульсов и приема ответных радиоимпульсов СПП увеличенных по длительности на приращение времени задержки Δτ_з. Таким образом, по существу, СПП является приемопередатчиком с временным разделением приемного и передающего режимов работы в течение одного периода суперирующей частоты Т_с.

Для обеспечения высокой чувствительности и усиления в приемном режиме необходимо осуществлять включение СВЧ-автогенератора с минимальным значением пускового отрицательного затухания δ_п. Для достижения максимальной выходной мощности пропорциональной А_ст в СПП требуется увеличивать отрицательное затухание в области средних и больших амплитуд для данного типа активного прибора автогенератора (см. фиг. 2). Для осуществления этих противоречивых требований оказалось необходимым реализовать в контуре СПП режим жесткого установления колебаний [1]. Данный результат может быть получен при анализе упрощенного варианта нелинейного уравнения автогенератора:

Качественный анализ уравнения (2) позволяет выяснить особенности поведения функции δ(t, A) в зависимости от амплитуды колебаний А (фиг. 2) и во временной области (фиг. 3). Исследование различных вариантов реализации функции δ(t, A) показывают, что, в отличие от рекомендуемого в известной литературе мягкого режима установления колебаний в классическом сверхрегенераторе (при δ(A)=δ_п1) [2], в СПП необходимо реализовать переходной процесс с жестким характером установления колебаний [1]. В этом случае запуск СПП может происходить с минимальным отрицательным значением затухания при δ(A)=δ_пз, что обеспечивает минимальную полосу приема и высокую чувствительность. При этом установление стационарного режима происходит в области максимальных значений амплитуд А_ст, следовательно, при высоком уровне выходной мощности. Необходимо подчеркнуть, что изменение пускового затухания δ_п практически не влияет на А_ст. Это позволяет, в конечном счете, раздельно и эффективно регулировать параметры приемного и передающего режимов работы СПП путем регулировки пускового тока СВЧ-АГ в момент включения. Следует подчеркнуть, что для обеспечения переходного процесса с жестким характером установления колебаний необходимо цепь базы транзистора СВЧ-автогенератора управлять импульсами напряжения, вырабатываемыми генератором суперирующего напряжения (ГСН) с низким выходным сопротивлением. Это обеспечивает нарастание постоянной составляющей тока эмиттера синхронно с нарастанием амплитуды автоколебаний. Практически импульсы ГСН формируются с помощью эмиттерного повторителя, обеспечивающего низкое дифференциальное выходное сопротивление ГСН (см. патент РФ №93546). Коэффициент регенерации (коэффициент обратной связи) в СВЧ-автогенераторе должен быть оптимальным. Максимум отрицательного затухания δ(t)=δ_мах в области средних значений амплитуд обеспечивает быстрый переход во времени от приемного к передающему режиму работы СПП. Это способствует формированию практически прямоугольных радиоимпульсов и симметричного спектра излучения СПП, характерного для последовательности радиоимпульсов классических импульсных автогенераторов.

Необходимо подчеркнуть, что в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП пусковой ток I_п в течение приемного интервала превышает граничное значение I_гр практически всего на десятки-сотни мкА. Поэтому для снижения эффекта ударного возбуждения контура СВЧ-АГ и обеспечения высокой чувствительности форма импульсов тока эмиттера в течение приемного интервала должна быть плавно нарастающей от нуля до пускового значения I_п=5-10 мА (см. фиг. 4). Далее постоянная составляющая тока эмиттера I_эо (и тока коллектора I_ко=I_эо) изменяется синхронно с амплитудой автоколебаний за счет жесткого характера переходного процесса до максимальных значений для данного активного прибора вплоть до установления стационарного режима I_ко=180-250 мА. Указанные величины пускового I_п и стационарного I_ко токов приведены для СВЧ транзисторов средней мощности типа 2Т618, BFG235A. При этом следует подчеркнуть, что стационарные амплитуды А_ст и I_эоmах не зависят от величины пускового тока I_п. Необходимо отметить, что среднее значение постоянного тока коллектора I_{к ср} за период суперизации Т_с определяется соотношением τ_з и τ_с. Поскольку величина τ_з регулируется пусковым током I_п, то оказывается, что регулировка среднего тока I_{к ср} вызывает соответствующее изменение пускового тока СВЧ-автогенератора. Например, под действием дестабилизирующих факторов при увеличении среднего тока I_{к ср} нарастает пусковой ток I_п, что приводит к уменьшению времени задержки τ_з, увеличению длительности радиоимпульсов τ_и и снижению чувствительности. При уменьшении среднего тока I_{к ср} процесс идет в обратном направлении. Таким образом, стабилизация тока I_{к ср} позволяет стабилизировать τ_з и соответственно чувствительность и полосу пропускания в приемном режиме, а также длительность и мощность излучаемых радиоимпульсов СПП. Таким образом выбор длительности суперирующих импульсов τ_с позволяет оптимизировать соотношение чувствительности и излучаемой средней мощности СПП [1]. Поэтому стабилизатор - 2 среднего тока I_{к ср} СВЧ-автогенератора - 6 является важным узлом СПП.

Введение в структуру СПП стабилизатора напряжения-3 источника питания-1 связано с необходимостью дополнительного обеспечения стабильности несущей частоты СВЧ-автогенератора СПП в диапазоне f₀=1680±5 МГц.

Как отмечалось выше, генератор суперирующего напряжения (ГСН) - 4 вырабатывает видеоимпульсы с частотой порядка F_c=800±10 кГц, управляющие непосредственно работой СВЧ-автогенератора (фиг. 3). Практически эти импульсы формируются с помощью эмиттерного повторителя, включенного на выходе ГСН (см. патент РФ №93546), обеспечивающего его низкое дифференциальное выходное сопротивление, тем самым реализуя жесткий характер процесса установления автоколебаний. Поэтому параметры ГСН имеют принципиальное значение для оптимизации работы СПП

Инерционная цепь автосмещения - 5 необходима для повышения стабильности работы СВЧ-автогенератора - 8 и обеспечения режима его работы с «ответной паузой» при измерении дальности в составе системы радиозондирования (см. патент РФ №2214614). Ответная пауза формируется за счет реакции инерционной цепи автосмещения - 5 получающей дополнительный заряд в течение приращение времени задержки Δτ_з, что приводит к запиранию СВЧ-автогенератора на время генерации следующего радиоимпульса.

На фиг. 6 приведен упрощенный вариант функциональной схемы СПП содержащей ГСН, эмиттерный повторитель которого, выполнен на транзисторе VT1. СВЧ-АГ реализован на транзисторе VT2. Инерционная цепь автосмещения СВЧ-АГ образована резистором R2 и конденсатором С4. Регулировка R2 позволяет изменять постоянную времени инерционной цепи автосмещения и обеспечивает формирование ответной реакции СПП на запросный сигнал РЛС, как это предлагалось в патентах РФ №2172965, №2214614. Однако, при регулировке R2 происходит из-за изменения режима работы СВЧ-АГ смещение несущей частоты, что затрудняет одновременно настроить чувствительность и частоту приема и несущую частоту СПП.

Далее необходимо пояснить принцип обеспечения безударного запуска СВЧ-автогенератора СПП, обеспечивающего его максимальную чувствительность. На фиг. 4 изображены колебания U_Σ в контуре СВЧ-автогенератора в процессе запуска. На интервале времени от 0 до t₁ активный прибор СВЧ-АГ (СВЧ-транзистор) выключен. В контуре существуют тепловые флуктуационные колебания. В момент t₁ генератором суперирующего напряжения включается ток запуска автогенератора I_Э0, который далее экспоненциально нарастает.На этом интервале времени током I_Э0 в контуре возбуждаются ударные колебания U_уд. Поскольку на декрементном интервале затухание δ(t) контура до момента t₂ остается положительным, то ударные колебания экспоненциально затухают вплоть до уровня флуктуационных шумов U_ф, которые на этом интервале определяются суммарным воздействием тепловых флуктуаций и флуктуациями дробового тока активного прибора. В момент t₂ ток достигает граничного значения I_Э0=I_гр. В этот момент среднее значение затухания контура d_cp равно нулю. Однако действующее значение затухания определяется эффективным значением флуктуационной составляющей затухания d_эфф, которое принципиально не может быть равно нулю. Поэтому полоса пропускания контура СПП в этот момент имеет минимальное, но конечное значение. Если интервал времени Δ t=t₂-t₁ достаточен чтобы ударные колебания успели затухнуть до уровня флуктуаций U_ф, то развитие автоколебаний U_ак, начиная с момента t₂ на инкрементном участке происходит от уровня флуктуаций U_ф. Ток активного прибора далее нарастает до уровня пускового значения I_Э0=I_п. Важно подчеркнуть, что в транзисторном СВЧ-автогенераторе СПП с выходной средней мощностью не более 0,5 Вт граничный ток имеет значение порядка I_Э0=5-8 мА, а I_п пусковой ток I_п в течение приемного интервала превышает граничное значение I_гр практически всего на десятки мкА. Такой режим запуска СПП является безударным и принципиально обеспечивает максимальную чувствительность СПП к запросному сигналу. Поскольку фаза и амплитуда флуктуаций, определяющие начальные условия запуска являются случайными процессами, то спектр излучения радиоимпульсов СПП в этом случае будет сплошным. Если интервал времени Δt=t₂-t₁ недостаточен для затухания ударных колебаний, то развитие автоколебаний U_ак СПП будет определяться ударными колебаниями U_уд. Поэтому фаза радиоимпульсов СПП будут синхронизоваться ударными колебаниями, а чувствительность СПП к внешнему сигналу резко снизится. Спектр излучения радиоимпульсов СПП в этом случае будет дискретным, линейчатым. Такой режим запуска характерен для классических импульсных автогенераторов. Необходимо подчеркнуть, что далее постоянная составляющая тока эмиттера I_эо (и тока коллектора I_ко=I_эо) изменяется синхронно с амплитудой автоколебаний за счет жесткого характера переходного процесса до максимальных значений, вплоть до установления стационарного режима (см. фиг. 3, 4). При этом следует подчеркнуть, что стационарные амплитуды А_ст и I_эоmах практически не зависят от величины пускового тока I_п.

Экспоненциальный закон изменения формы импульсного тока СВЧ-автогенератора в момент запуска обеспечивается импульсами суперирующего напряжения вырабатываемых эмиттерным повторителем ГСН (см. фиг. 6,) за счет экспоненциального нарастания напряжения определяемого интегрирующей цепочкой образованной резистором R1 и конденсатором С1 на его входе.

Для пояснения особенности установления частоты излучения относительно частоты приема на фиг. 5 (а) приведены зависимости изменения частоты СВЧ-автогенератора в процессе установления амплитуды автоколебаний А для разных режимов работы СПП. Частота приема f_пр соответствует частоте автоколебаний в момент запуска СПП при амплитуде А=0. На фиг. 3 этот режим соответствует моменту t₂. Несущая частота излучения f_изл СПП соответствует частоте установившихся автоколебаний при А=А_ст. При условии f_пр=f_{изл 2} частота приема и частота передачи СПП совпадают. При условиях f_пр≤f_{изл 2} и f_{изл 3}≤f_пр несущая частота будет выше или ниже частоты приема СПП. По существу, частота приема f_пр определяется резонансной частотой колебательной системы СВЧ-АГ в момент запуска СПП. Далее процесс установления частоты автоколебаний определяется зависимостью интегральных реактивных параметров СВЧ транзистора от амплитуды действующих токов и напряжений в схеме СВЧ-АГ. Как отмечалось ранее, в СПП постоянный ток СВЧ-транзистора I_эо изменяется синхронно с амплитудой высокочастотных колебаний фиг. 5 (б). Поэтому регулировка его стационарного значения I_{эо ст} позволяет эффективно управлять частотой установившихся автоколебаний относительно частоты приема f_пр. Наиболее просто управлять импульсным значением тока I_{эо ст} путем регулировки импульсного тока управляющего электрода активного прибора (тока базы СВЧ-транзистора) изменением выходного сопротивления генератора суперирующего напряжения. На фиг. 6 регулировка выходного сопротивления генератора суперирующего напряжения (выход эмиттерного повторителя VT1) осуществляется резистором R2. Увеличение сопротивления R2 приводит к уменьшению импульсного тока I_{эо ст1} и соответствующему росту несущей частоты радиоимпульсов СПП в положение f_пр<f₁. Уменьшение сопротивления R2 позволяет совместить частоты приема и излучения f_пр=f₂ при I_{эо ст2} или установить частоту излучения ниже частоты приема f_пр>f₃ при I_{эо ст3}. Частота приема f_пр определяется настройкой резонансной частоты колебательной системы СВЧ-АГ в момент запуска СПП. Таким образом, регулировкой амплитуды видеоимпульсов тока активного прибора (СВЧ-транзистора) путем изменения выходного сопротивления генератора суперирующего напряжения R2 удается управлять взаимным положением частот приема и передачи СПП с необходимой точностью. При этом мощность излучения СПП практически не изменяется. Однако для сохранения оптимального значения постоянной времени цепи автосмещения-5, необходимого для формирования ответного сигнала по дальности - «ответной паузы», требуется осуществить соответствующий подбор емкости конденсатора С4.

Как было показано выше, для достижения максимальной чувствительности необходимо обеспечить безударный запуск СВЧ-автогенератора СПП. Практически это достигается путем регулировки постоянной времени τ=R1C1 - фильтра нижних частот образованного резистором R1 и конденсатором С1 на входе эмиттерного повторителя VT1 ГСН (фиг. 6). Увеличение сопротивления резистора R1 приводит к снижению крутизны нарастания напряжения на входе СВЧ-автогенератора и уменьшению уровня ударных колебаний (см. фиг. 4 и 6). Однако при этом уменьшается эффективная длительность суперирующих импульсов и снижается усиление СПП пропорциональное среднему времени задержки τ_з, см. соотношение (2). Для восстановления необходимого уровня усиления СПП требуется соответственно увеличить длительность суперирующих импульсов. Уменьшение сопротивления резистора R1 приводит к обратному изменению параметров СПП. При оптимальном значении постоянной времени τ=R1C1 достигается максимальная чувствительность и усиление СПП, в том числе, в режиме «ответной паузы».

Для достижения технического результата в СВЧ-автогенератор 8 введен полосовой СВЧ-фильтр 7, см. фиг. 8. На фиг. 7 (а) показана амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) полосового СВЧ-фильтра 7, на фиг. 7 (б) изображен спектр излучения радиоимпульсов СПП.

При выполнении условий самовозбуждения, определяемых балансом амплитуд и фаз, автоколебания в автогенераторе существуют в пределах диапазона частот f₂, f₁ определяемых полосой пропускания полосового СВЧ-фильтра Δf=f₂-f₁. Полоса пропускания СВЧ-фильтра должна быть согласована со спектром излучения радиоимпульсов СПП. Длительность радиоимпульсов СПП АРЗ составляет τ_и=0, 25-0,30 мкс. Поэтому полоса пропускания СВЧ фильтра должна выбираться из условия Δf=1/τ_и=4 МГц. Частота автоколебаний устанавливается на центральной (резонансной) частоте f₀ в пределах Δf=f₂-f₁.

Работа СПП в составе радиотехнической системы подробно описана в упомянутых выше патентах РФ, работах этого же автора и поэтому в описании данной заявки не повторяется.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить производство СПП радиозондов на современных СВЧ-транзисторах с чувствительностью на уровне минус 100÷110 дБ/Вт при средней мощности излучения 200÷250 мВт и к.п.д. не менее 35%. Данный приемопередатчик АРЗ обеспечивает точное измерение наклонной дальности от наземной РЛС до 250-300 км с погрешностью не хуже ±15 м, при малом уровне запросной мощности наземной РЛС. Так импульсная мощность передатчика РЛС составляет 200 Вт, средняя - 0,2 Вт. Передача телеметрических сигналов АРЗ осуществляется путем частотной или фазовой модуляции суперирующих импульсов, т.е на одной несущей частоте осуществляется измерение всех координат АРЗ: угла места, азимута, наклонной дальности и осуществляется передача телеметрических сигналов метеорологических величин. В конечном счете применение СПП в составе АРЗ позволяет значительно снизить затраты на получение аэрологической информации на сети Росгидромета РФ.

Литература

1. Иванов В.Э., Фридзон М.Б., Ессяк СП. «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.

2. Современное состояние и перспективы развития систем радиозондирования атмосферы в России / В.Э. Иванов, А.В. Гусев, К.А. Игнатков, С.И. Кудинов, И.В. Малыгин, В.Я. Носков, О.В. Плохих, В.В. Рысев, О.А. Черных // Успехи современной радиоэлектроники. - 2015. - №9. - С. 3-49.

3. Патент на изобретение №2470323 RU, C1 G01S 13/95 (2006.01). Способ регулировки выходных параметров сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда / Иванов В.Э., Кудинов С.И., Гусев А.В. Опубликован в официальном бюллетене "Изобретения. Полезные модели", №35, 20.12.2012.

4. Патент на полезную модель № RU 166135. Сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда с высокодобротным резонатором / Иванов в,э,, Кудинов С.И. Номер заявки: 2016108588/28 Дата регистрации: 09.03.2016. Дата публикации: 20.11.2016.

5. Патент РФ №2345379 (РФ). СВЧ-модуль сверхрегенеративного приемопередатчика радиозонда (Заявлено 17.09.2007) / В.Э. Иванов.

6. Патент 2291467 (РФ). Сверхрегенеративный приемопередатчик. (Заявлено 15.03.2004) / 708.07.2003) / В.Т. Богов, В.Э. Иванов и др.

8. Патент №2172965 (РФ). Сверхрегенеративный приемопередатчик. (Заявлено 06.12.1999) / В.Э. Иванов. Патентообладатель ОАО «Метео».

9. Патент №2214614 (РФ). Приемопередающая система аэрологического радиозонда и его конструктив. (Заявлено 29.11.2001) / В.Э. Иванов. Патентообладатель ООО НПП Ортикс.

Claims (3)

1. Сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда АРЗ с повышенными эксплуатационными характеристиками, характеризующийся тем, что его сверхрегенеративный приемопередатчик СПП содержит следующие элементы: источник питания, стабилизатор среднего тока СВЧ-автогенератора, стабилизатор напряжения питания СВЧ-автогенератора, генератор суперирующего напряжения ГСН, инерционную цепь автосмещения, СВЧ-автогенератор на транзисторе, полосовой СВЧ-фильтр, приемопередающую антенну АРЗ и имеет следующие соединения: источник питания соединен со стабилизатором напряжения, первый выход которого соединен со стабилизатором среднего тока СВЧ-автогенератора, а второй выход соединен с входом питания генератора суперирующего напряжения ГСН, выход которого соединен с входом инерционной цепи автосмещения; первый выход стабилизатора тока соединен с входом питания СВЧ-автогенератора, а второй выход стабилизатора тока соединен с выходом инерционной цепи автосмещения и входом транзистора СВЧ-автогенератора, цепь базы транзистора через конденсатор и полосовой СВЧ-фильтр соединена с общей шиной, а выход/вход СВЧ-автогенератора соединен с приемопередающей антенной; вход модуляции телеметрическим сигналом подключен к генератору суперирующего напряжения.

2. Сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда по п. 1, характеризующийся тем, что в цепь базы СВЧ-транзистора через конденсатор включен полосовой СВЧ-фильтр, второй конец которого соединен с общей шиной, причем полоса пропускания этого фильтра выбирается из условия Δf=1/τ_и, где τ_и - длительность радиоимпульса.

3. Сверхрегенеративный приемопередатчик аэрологического радиозонда по пп. 1 и 2, характеризующийся тем, что конструктив СПП выполнен на отдельной печатной плате с использованием микрополосковых линий в качестве реактивных настроечных элементов, четвертьволновых L=λ/4 дросселей-индуктивностей, блокировочных емкостей L ≤ λ/4.

Images