Исследование гибридно-интегральных автодинных модулей миллиметрового диапазона

• Автор: Игнатков, Кирилл Александрович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 168 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Конструктивные особенности гибридно-интегральных автодинных модулей СВЧ и КВЧ диапазонов на твердотельных активных элементах

1.2. Автодины с одноконтурной колебательной системой

1.3. Автодины с двухконтурной колебательной системой

1.4 Выводы
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОДИНОВ С ОДНОКОНТУРНОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ. ОСНОВНЫЕ СИГНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Эквивалентная схема и основные уравнения для анализа автодинных генераторовЗ

2.2. Анализ устойчивости автодинных генераторов

2.3. Основные параметры автодинов
2.4. Автодинные характеристики СВЧ и КВЧ генераторов
2.5. Особенности амплитудно-частотных характеристик автодинов
2.7. Выводы
ГЛАВА 3. ШУМОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ АВТОДИНОВ
3.1. Основные уравнения для анализа шумовых параметров и характеристик
автодинных генераторов
3.2. Шумовые параметры автономных генераторов
3.3. Автодинные и шумовые характеристики
3.4. Динамический диапазон автодинов
3.5. Выводы
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОДИНОВ СО СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ЧАСТОТЫ ВНЕШНИМ
ВЫСОКОДОБРОТНЫМ РЕЗОНАТОРОМ
4.1. Основные выражения для анализа стабилизированных по частоте автодинов..
4.2. Автодшшые параметры и характеристики при точной настройке резонатора
4.3. Влияние расстройки резонатора на автодинные параметры и характеристики.
4.4. Анализ «нелинейности по амплитуде» автодинных характеристик
4.5. Шумовые параметры стабилизированных генераторов
4.6. Автодинные и шумовые характеристики
4.7. Динамический диапазон
4.8. Выводы
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОДИННЫХ МОДУЛЕЙ
5.1. Экспериментальный стенд и оборудование
5.2. Исследование параметров и характеристик обычных автодинов
5.3. Сравнение характеристик обычных и стабилизированных автодинов
5.4. Влияние расстройки резонатора на автодинные параметры и характеристики
5.5. Особенности сигналов стабилизированных автодинов с учётом нелинейности по амплитуде
5.6. Шумовые характеристики автономных генераторов
5.7. Шумовые характеристики автодинов
5.8. Выводы
ГЛАВА 6. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ
6.1. Определение внутренних параметров и характеристик СВЧ и КВЧ генераторов.
6.2. Эффективность применения стабилизированных по частоте автодинов
6.3. Автодинный измеритель параметров движения вагонов на сортировочной горке
6.4. Применение автодинов в радиоволновых датчиках вибраций
6.5. Автодинный приёмо-ответчик для аэрологических радиозондов
6.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рекомендации по итогам диссертационного исследования
ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ОСНОВНЫХ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Общая характеристика работы
Актуальность темы исследования
Автодины являются простейшими приёмо-передагащими устройствами, функционально представляющими собой лишь совокупность автогенератора и средств выделения автодинного отклика. Принцип действия этих устройств основан на автодинном эффекте, состоящем в изменениях параметров колебаний генератора под воздействием собственного отражённого от объекта локации излучения или информационного излучения от стороннего источника. Автогенератор в этих устройствах выполняет одновременно функции радиопередающего устройства и приёмника. Простота конструкции автодинов обеспечивают низкую стоимость, малые габариты и массу приёмо-персдающих модулей.
Отмеченные качества автодинов являются привлекательными для их применения во многих областях человеческой деятельности. Поэтому за более чем столетнюю историю становления и развития теории и техники автодинов к ним наблюдается устойчивый интерес большого числа исследователей. Количество публикаций, посвященных изучению автодинного эффекта в различных генераторах и применению автодинов в решении прикладных задач, неуклонно растёт. В последние десятилетия вышло в свет большое число монографий и учебных пособий [1 - 6].
Первым исследовал «автодинный метод приёма» и описал работу этого устройства в своей заявке на изобретение инженер английской компании «Marconi’s Wireless Telegraphy» Генри Раунд (Henry Joseph Round) в 1913 г. Следующим наиболее значительным этапом развития автодинов явилось их использование в качестве датчика близости цели для неконтактных взрывателей боеприпасов в годы Второй мировой войны. Данное применение автодинов явилось мощным толчком к развитию целых направлений в электронной технике, освоению новых передовых технологий в приборостроении и военной техники, теоретической базы автодинов, а также проложило путь к миниатюризации, которая вошла в электронную промышленность и создала предпосылки для нынешней эры интегральных схем.
Возможности использования автодинов в продукции как военного (например, в радиовзрывателях), так и гражданского, в том числе в медицине и на транспорте, открывает перспективы массового производства автодинных приёмо-передающих модулей. За прошедшие десятилетия автодннная тематика сложилась в самостоятельное динамично развивающееся научное направление, которое во всех промышленно развитых странах постоянно поддерживается на высоком уровне. В последние десятилетия появился интерес к автодинной

а>- со0, где Д,, со0 - амплитуда и частота стационарных колебаний:
= 0, Вэ0(А0,со0) + Вкс(сод) = 0, 1Э = /3(Д,,соа), (2.6)
где Вкс(й)0) = 2С<20(а>0-со^/а^ - реактивная проводимость КС. Данные уравнения являются общепринятыми в теории СВЧ и КВЧ генераторов [93-96, 112]. Они позволяют определить амплитуду Д,, частоту й и потребляемый ток /э0 автономного генератора для стационарного режима.
Для нахождения уравнений в вариациях для автодинного отклика генератора представим амплитуду и частоту автоколебаний в виде: А = А0 + ДА, со= о)0 + Д<У, где ДА, Дсо -соответствующие вариации стационарного режима АГ, причём полагаем эти приращения достаточно малыми ДА « Ад, Дсо« со0. Входящие в (2.4), (2.5) параметры С, и при этом в окрестности своих стационарных значений (2.6), где = Сэ0(А0,й>0) и В7 = Д0(Д0,«0), под воздействием отражённого излучения и собственных шумов генератора получают соответствующие изменения.
Кроме того, учтём в вариациях явление автодетектирования автодинного отклика, при котором благодаря автодинным изменениям среднего значения тока Д = /ДА, со) АЭ обеспечивается возможность выделения выходного сигнала АД в цепи смещения АЭ по изменению тока: Ы3 = 13—13(Ай,соа), где очевидно также, что ДД «1Л{, &>„) ■ Допуская линейность зависимостей Оэ(А,со), В..(А,(О) и Д(А,со) от амплитуды и частоты колебаний в окрестности стационарного режима запишем указанные параметры с учетом первых двух членов разложений в ряды Тейлора:
I, -'Л,. а) )■ 401 ■ <2-7>
Здесь и далее индекс «О» при частных производных означает, что они получены в окрестности стационарного режима.
Подставляя (2.8), (2.9) в (2.4), (2.5) и, учитывая (2.6), получим систему линеаризованных уравнений для определения относительных вариаций амплитуды в, = ДА/АдИ частоты генерации % = Асо/й)0, а также, учитывая (2.7), выходного сигнала автодетектирования / = Д/э / Д0 в виде: