ПРИМЕНЕНИЕ АВТОМОДУЛЯЦИИ В АВТОДИННЫХ СВЧ ГЕНЕРАТОРАХ ММ-ДИАПАЗОНА

August 4, 2012 by admin Комментировать »

Острейковский А. В.

ПКФ «Карнеол» ул. Д. Бедного, 5, Днепропетровск 49000, Украина Тел.: (056) 3705352; e-mail: laspy@a-teleport.com

Аннотация Получены результаты экспериментального исследования автодинной СВЧ системы 5-мм диапазона. Подтверждена практическая возможность повышения ее чувствительности в данном диапазоне путем использования режима автомодуляции.

I.  Введение

Автодинные СВЧ генераторы широко используются в технике измерений [1]. Одним из наиболее важных применений автодина является его использование в системах определения параметров движения объектов. В этом случае важнейшей характеристикой СВЧ автодина является его максимальный радиус действия, который определяется радиочастотной чувств ите л ь-ностью [1]. Настоящая работа посвящена дальнейшему исследованию возможностей повышения радиочастотной чувствительности СВЧ автодинных систем путем использования НЧ автомодуляции.

II.  Основная часть

Для проведения экспериментов была использована система на основе серийного СВЧ генератора «Тигель» на диоде Ганна (ДГ), выпускаемого для построения автодинных датчиков. Применявшийся генератор имел заводскую настройку на частоту 62.5 ГГц. За основу была взята схема, разработанная ранее [2] для см-диапазона с целью получения наивысшей автодинной чувст-вительности генератора, работающего в присутствии сильных мешающих отражений.

Структурная схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Обозначены: GСВЧгенератор; А рупорная антенна; VD1 детекторная секция; А1 усилитель с коэффициентом передачи К1 = 80 ; LCR НЧ колебательный контур (резонансная частота 5 кГц); А2суммирующий усилитель с мощным выходом и коэффициентом передачи К2 = 1; А3интегрирующий усилитель с коэффициентом передачи К3 и постоянной времени х3 ; VD2линейный детектор НЧ сигнала с интегратором (сквозной коэффициент передачи равен 1, постоянная времени равна х3); Е1 и Е2 выходы автодинного сигнала.

Опорное напряжение U0 (вход 1 усилителя А2) формирует напряжение смещения ДГ; если на вход 2 подается переменное НЧ напряжение, то это приводит к амплитудно-частотной модуляции СВЧ колебаний генератора G .

При наличии СВЧ генерации ДГ цепь " G -> VD1 -» А1 LCR ->• А2 G" является схемой с замкнутой петлей обратной связи (ОС) по напряжению СВЧ генерации, выделяемому детектором VD-,, причем петлевой коэффициент передачи определяется модуляционной характерис-тикой генератора G , коэффициентом передачи цепи 11А1 ->• LCR -»• А2" и характером зависимости

Рис. 2. Автодинный отклик на движущийся объект: 1 с выхода Е1; 2 с выхода Е2

Fig. 2. Autodyne response to a moving object:

1 at output E1; 2 at output E2

Из рассмотрения графиков следует: 1) сигнал с выхода Е1 (в отличие от сигнала с выхода Е2) более зашумлен; 2) величина автодинного отклика на выходе Е2 (с автомодуляцией) имеет такой же уровень, как

и на выходе Е1 усилителя А3 (без автомодуляции), но лишь при К3 =1000 , что говорит повышении радиочастотной чувствительности авто-дина во столько же раз при переводе его в режим автомодуляции. Очевидно еще одно преимущество схемы с автомодуляцией: преобразование «вниз» происходит до частоты Q , а не до нулевой частоты, что используется в известных схемах [1]. Поэтому при одинаковом уровне полезного сигнала на выходах Е1 и Е2 уровень шумов оказывается заметно ниже на выходе Е2.

Дополнительные измерения показали, что в системе с автомодуляцией автодинный отклик по мере увеличения расстояния R убывает значительно слабее, а наличие сильных отраженных сигналов практически не влияет на чувствительность системы.

I.    Заключение

В работе показаны преимущества автомодулированного режима СВЧ автодина на ДГ по сравнению с обычно используемым режимом непрерывной генерации. Рассмотренная схема является идеальным решением для построения автодинной системы с оптимизацией режима на основе цифрового сигнального процессора.

II.   Список литературы

[1]  Коган И. М., ТамарчакД. Я., Хотунцев Ю. П. Автодины.

–        В кн. "Радиотехника" (Итоги науки и техники ВИНИТИ). М.: ВИНИТИ, 1984. Т. 33.

[2] А.с. СССР № 1773187 / Автодинная система. Острейковский А. В. НОЗ В 9/12. Приоритет 18.02.1990 г.

[3] Острейковский А. В. Низкочастотная неустойчивость генераторов на диодах Ганна // Радиотехника, 1989. N 6.

SELF-MODULATION IN AUTODYNE MICROWAVE MM-RANGE OSCILLATORS

Ostreykovskyy О. V.

‘Carneoi’ ICF 5 D. Bednogo Str., Dnepropetrovsk, Ukraine, 49000 phone: +380 (56) 3704454; e-mail: laspy@a-teleport.com

Abstract Results of experimentally researching a microwave 5-mm-range autodyne system have been obtained. The practicability of increasing the autodyne sensitivity over this range has been shown by using a self-modulation mode.

I.  Introduction

Autodyne microwave oscillators are widely used in measurement processes [1]. One of the most important applications of autodynes is, for example, a motion detector. Here the most important feature of a microwave autodyne is its maximum range determined by a radio frequency sensitivity [1]. This paper is dedicated to further researching the possibility of increasing the radio-frequency autodyne sensitivity through the implementation of a self-modulation process.

II.  Main part

The basic system described in [2] (see Fig. 1), a 62.5GHz Gunn oscillator G and a waveguide-microstrip detector VDt have been used in the research. Amplifiers A^ A2, A3 with the respective gains К|=80, K2=1, Кз=1000 have been used. A lowfrequency circuit LCR with a 5kHz resonant frequency was used to determine the self-modulated frequency in system. If the self-modulation exists, its envelope represents a useful output signal passing through a linear detector and integrator VD2 having the time constant x3 . The integrating amplifier A3

also has the same time constant x3 . When the Gunn oscillator was       operated  the           feedback loop

" G -> VD-i -> A-, -> LCR -> A2 -> G" was activated initiating the LF self-modulation process. ‘Soft’ LF oscillations appeared with amplitude not exceeding tens of mV. At the same time the microwave spectrum was not distorted; minor amplitudefrequency modulations were observed [3]. A corner reflector was used moving from the antenna A in the radial direction R at a constant radial velocity. The two graphs in Fig. 2 show the behaviour of autodyne responses V(R) at the outputs E-, (selfmodulation off, curve 1) and E2 (self-modulation on, curve 2). As shown, the signal at E1 was amplified by A3 and had more noise. The signal at E2 was ‘cleaner’ and had an amplitude 1000 times larger than registered directly at the amplifier A-, output. Therefore, the radio frequency sensitivity also was 1000 times larger in the self-modulated mode compared to a wellknown regular continuous-wave mode [1].

Additional measurements have demonstrated the following features of the self-modulated system: 1) the autodyne response decreases much more weakly with the increasing distance R; 2) the presence of strong reflected signals does not affect significantly the sensitivity of the system.

III.  Conclusion

Advantages of the self-modulated mode of microwave Gunn-diode-based autodynes are shown in comparison with a traditional mode of continuous-wave oscillation. The proposed circuit offers a perfect solution in the design of autodyne systems optimized around digital signal processors.

Аннотация Исследованы возможности и способы достижения амплитудной стабильности генераторов Ганна Ка диапазона на уровне ДР/Р=5.1(Г4-1(Г\ приводятся экспериментальные результаты исследования образцов генераторов Ганна с повышенной амплитудной стабильностью для целей быстрой калибровки радиоастрономического приемника.

I.  Введение

Для внутренней калибровки радиоастрономических приемников традиционно используются шумовые ЛПД и ИМПАТ диоды, однако они не обладают достаточной спектральной плотностью мощности шума (СПМШ) для быстрой внешней калибровки приемников. Внешняя калибровка особенно актуальна для приемных фокальных решеток, число элементов которых может достигать сотни и тысячи, как в случае радиотелескопа РАТАН-600 [1]. В [2, 3] рассмотрены требования к стабильности коэффициента усиления радиоастрономического приемника и к амплитудной стабильности генераторов Ганна для его быстрой калибровки: ДР/Р=5*10~4-10^1 на частотах анализа менее 100 Гц. Приводимые в литературе данные амплитудной стабильности генераторов Ганна на уровне 0.8-1.0 дБ/В и 0.03-0.05 дБ/град [3] хуже требуемых. В настоящей работе рассматриваются пути повышения амплитудной стабильности генераторов Ганна и приводятся результаты исследования образцов генераторов Ганна с повышенной амплитудной стабильностью.

II.  Основная часть

Изучение энергетических спектров низкочастотных флуктуаций колебаний Sa и спектров флуктуаций постоянных составляющих токов диодов Ганна Si/io2 на частотах анализа 20 Гц 20 кГц показывает их фликкерную природу и доминирование вклада шумов концентрации носителей 6nt прикатодной области зарождения доменов [4]. СПМШ амплитудного шума генератора Ганна на диоде прямого монтажа с малым потребляемым током в области максимального КПД, где фликкерный шум минимален [4], составляет -140 дБ/Гц на частоте 100 Гц (рис.1). Соответствующая кратковременная амплитудная нестабильность рассчитана методом КастроЦиолковского с использованием интегрального преобразования Катлера-Сирла [5]. Ее вклад в АР/Р менее 210′6 на интервалах времени анализа 0.01 с и более (рис.1) можно не учитывать.

На амплитудную нестабильность генератора Ганна на времнах 0.01 с и более наиболее сильно влияют другие факторы: качество контактов и крепления диода, тепловой режим, подбор режима работы диода с низкой крутизной зависимости мощности

ГЕНЕРАТОРЫ ГАННА Ка ДИАПАЗОНА С УЛУЧШЕННОЙ АМПЛИТУДНОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ДЛЯ БЫСТРОЙ КАЛИБРОВКИ РАДИОАСТРОНОМИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА

Уман С. Д., Добров В. А. ЗАО “Светлана-ЭП”, пр.Энгельса 27,194156, Санкт-Петербург, Россия e-mail:v-dobrov@mail.ru Хайкин В. Б. Специальная астрофизическая обсерватория РАН, Политехническая 21, офис 107, 195251, Санкт-Петербург,, Россия e-mail:vkh@bro wn.nord.nw. ru

Puc. 1. СПМШ амплитудного шума генератора Ганна (вверху) и соответствующая кратковременная нестабильность (второй сверху). Зависимости мощности генератора Ганна от температуры (второй снизу) и от напряжения питания (внизу)

Fig. 1. Amplitude noise spectrum of Gunn oscillator (top) and correspondent short-term amplitude instability (2-nd from above), power voltage(bottom) and power temperature (second from below) dependencies of Gunn oscillator sample

Рис. 2. Мощностные огибающие калибровочных импульсов генератора Ганна с 18.04.03 по 28.04.03 (вверху) и за последний день измерений (2-й сверху), гистограммы температуры корпуса генератора за 11 дней (А) и за последний день измерений (В)

Fig. 2. Power envelopes of 1.5-2 m records (1-10 per a day) of calibrating impulses since 18.04.03 to 28.04.03 (top, right) and during last day (middle) with temperature histograms (A-11 days, Bthe last day)

от температуры и напряжения питания, степень подавления низкочастотных релаксационных колебаний. Некоторые из перечисленных условий взаимно противоречивы. Так низкая крутизна зависимости мощности от напряжения достигается в области максимума КПД, а низкая крутизна зависимости мощности от температуры достигается при более низких КПД и достаточно высокой крутизне по напряжению. Для повышения амплитудной стабильности генератора Ганна и облегчения режима термостатирования минимизируют потребление и тепловое сопротивление линии корпус генератора структура диода.

С учетом и при оптимизации перечисленных факторов можно достичь AP/Pt:=10_2H-10_3/rpafl и AP/Pv=10_4/mB, что при обеспечении точности термостатирования генераторного диода на уровне 0.01-

0.     1 град и стабильности напряжения питания лучше 1 mV позволяет достичь требуемой долговременной стабильности. Решение этой задачи для генератора Ганна обычно осложняется значительным тепловыдением и потреблением и возможно лишь при использовании схем термостатирования на микроконтроллере с ШИМ, высокоточных позисторов и термо-элементов Пелтье для измерения и поддержания температуры диода, а также малошумящих высокостабильных усилителей с внутренней термокомпенсацией в блоке питания генератора.

Примеры зависимости мощности от температуры и напряжения питания генератора Ганна на 28 ГГц, построенного с учетом факторов, повышающих амплитудную стабильность приведены на рис 1. Некоторые образцы генераторов Ганна Ка диапазона демонстрировали AP/Pt:=5*10′3/ град и AP/Pv=10“4/mB и менее при комнатной температуре. Оправдались усилия затраченные на достижение минимальной потребляемой мощности и тепловыделения генератора Ганна.

Образцы генераторов Ганна с улучшенной амплитудной стабильностью Ка диапазона (28-30 ГГц) были исследованы в режиме быстрой калибровки приемника полной мощности диапазона 26-30 ГГц [6]. Формирование калибровочных СВЧ импульсов длительностью 0.5 мс с периодом 10 мс осуществлялось в блоке внешней калибровки с помощью быстродействующего 3-х каскадного PIN-диодного модулятора с низким собственным фликкер-шумом и высокой развязкой в открытом и закрытом состояниях (более 65 дБ) [3]. На рис.2 приведены мощностные огибающие 1.5-2 минутных записей (от 1 до 10 записей в день)калибровочных импульсов генератора Ганна в течение 11 дней измерений при комнатной температуре без термостатирования. Из рис.2 видно, что нестабильность генератора Ганна не превышает: 10_3 (на уровне шума дискретизации 12 разрядного АЦП) в течение 2 мин, 5*10-3 в течение 2 часов и 7*10-3 в течение дня, что достигнуто при изменении температуры корпуса генератора в пределах +0.1 град, +-0.5 град и +-0.7 град соответственно (рис.2 внизу).

Температуру структуры диода tcfl можно определить зная температуру корпуса генератора кг как:

t°Cfl~t°Kr + Pn*Rt II ДПд = 4t°KT +Д Рп Rt,

где Рп и АРп потребляемая мощность генератора и ее изменение, Rt -тепловое сопротивление, Rt = Rt1 + Rt2 , Rt1 тепловое сопротивление от корпуса до держателя диода, Rt2 тепловое сопротивление от держателя диода до структуры диода. По нашим оценкам, для данного образца ДРп=(1-3)*10-2 Вт за 2 часа, Rt =50-60°/Вт, а изменение температуры корпуса генератора на 0.5° эквивалентно изменению температуры структуры диода на 1°-2° и, следовательно, нестабильность генератора, приведенная к температуре структуры диода, 1.3-2.5*10-3/град. Таким образом, требуемая амплитудная стабильность генератора Ганна может быть обеспечена термостатом, компенсирующим APn*Rt с точностью 0.1 град на структуре диода.

I.     Заключение

Проведенные исследования показывают, что амплитудная стабильность генератора Ганна Ка диапазона может удовлетворять требованиям калибровки радиоастрономического приемника ДР/Р=5* 10^-Ю"4. Образцы генераторов Ганна с улучшенной амплитудной стабильностью показали АР/Рв=10_4/мВ и AP/Pt°= (1.3-2.5)* 10" /град, что позволяет достичь требуемой амплитудной стабильности при термостатировании структуры диода с точностью 0.1 град.

II.    Список литературы

[1 ] V. Khaikin, Е. Majorova, Yu. Parijskij, М. Parnes, R. Shifman, V. Dobrov, V. Volkov and S. Uman. 7×8 Element MMIC Array at 26-30 GHz for Radio Astronomy Applications. // Proceed, of International Conference "Perspective on Radio Astronomy: "Technologies for Large Antenna Arrays", The Netherlands, April 1999, pp.171-182.

[2]  S. Weinreb. Millimeter-Wave Integrated Circuit Radiometers. SPIE, vol.3064, pp.80-89, 1997

[3]  S. D. Uman, V. A. Dobrov, G. N. Golubchin, V. B. Khaikin. Gunn oscillators with improved amplitude stability for fast calibration of a “total power” receiver. 3-rd ESA Workshop on Millimetre Wave Technology and Applications:circuits, systems, and measurement techniques, Espoo, Finland,

May 2003.

[4]  V. L. Losev, В. M. Malyshev, A. B. Mesheryakov,

S.       D. Yman. Low frequency noise of Gunn diode. Elektronika SVCH, vup.10, cc. 26-30,1981.

[5]  Alfredo A. Castro and Fred P. Ziolkowski. Generation of Millimeter-Wave Signals of High Spectral Purity. // IEEE Trans, on MTT, vol. MTT-24, No. 11, November 1976, pp. 780-786.

[6]  V. Khaikin, V. Dobrov, M. Parnes, V. Volkov, A. Golovkov, Yu. Rybakov. Multi-channel array receiver mudules for Solar and atmospheric research. In Proceed, of URSI/IEEE XXVII Convention on Radio Science, pp.176-178, Espoo, Finland, Oct. 2002.

GUNN OSCILLATORS OF Ka BAND WITH IMPROVED AMPLITUDE STABILITY FOR FAST CALIBRATION OF RADIO ASTRONOMICAL RECEIVER

S.     D. Uman, V. A. Dobrov Svetlana-EP Co.

Engelsa pr. 27, 194156, St. Petersburg, Russia e-mail: v-dobrov@mail.ru

III.                                 B. Khaikin Special Astrophysical Observatory of RAS Polytechnicheskaya str.21, office107,

195251, St. Petersburg, Russia e-mail: vkh@brown.nord. n w. ru

Abstract It is possible to achieve amplitude stability of Gunn oscillators in Ka band at level of AP/P=5*10_4-10-4 necessary for fast calibration of radio astronomical receiver. Gunn oscillators with improved amplitude stability are manufactured and investigated. Experimental results of measurement of Gunn oscillator samples with improved amplitude stability are presented.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты