CC BY
73
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
№ 3-2019
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
//
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10265
ОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ ИЗМЕРЕНИИ УРОВНЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ВТОРИЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ ПОМЕХ ОТ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
БАБАНОВ Николай Юрьевич1
КОРСАКОВ Сергей Сергеевич2
ЛАРЦОВ
Сергей Викторович4
САМАРИН Валерий Павлович3
Сведения об авторах:
1д.т.н., доцент, проректор по научной работе Нижегородского технического университета им. Р.Е.Алексеева, Нижний Новгород, Россия, [email protected]
2аспирант Ивановского государственного университета, Нижний Новгород, Россия, [email protected]
3д.т.н., профессор, главный инженер проектов акционерного общества «Гипрогазцентр», ведущий научный сотрудник Нижегородского технического университета им. Р.Е.Алексеева, Нижний Новгород, Россия, [email protected]
4 „
к.т.н., доцент, старший научный сотрудник Нижегородского технического университета им. Р.Е.Алексеева, Нижний Новгород, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Некоторые электронные устройства при облучении внешним полем обладают способностью формировать рассеянный сигнал, который в широкой полосе частот оказывается помехой для близлежащей радиоприёмной аппаратуры. При организации экспериментального измерения параметров, рассеянного такими нелинейными объектами поля возникает необходимость калибровки радиолокационного измерительного стенда. Для этого может быть использован эталон - пассивный нелинейный отражатель с известной эффективной поверхностью рассеяния, способный формировать интенсивный рассеянный сигнал в достаточно широкой полосе частот, либо несколько эталонных нелинейных отражателей с более узкими рабочими полосами для обеспечения диапазонных измерений. Предложена конструкция эталонного нелинейного отражателя, применимого для калибровки широкополосных нелинейных радиолокационных измерительных стендов и описана процедура калибровки. Предложенная конструкция представляет собой широкополосную антенну, известную как антенна «бабочка», нагруженную на туннельный диод. Исходя из необходимости функционирования в широкой полосе частот, выбраны оптимальные габаритные параметры антенной части. Представлена эквивалентная радиотехническая схема эталона и построена соответствующая ей математическая модель. На основе математической модели проведён численный эксперимент, в результате которого построены амплитудные характеристики и калибровочные амплитудно-частотные характеристики эталона в широкой полосе частот. На полученных амплитудных характеристиках установлено присутствие характерных точек (точек экстремума функции), что подтверждает возможность применения предложенной конструкции нелинейного отражателя в качестве эталона при выполнении описанной процедуры калибровки. Обоснована его применимость, как для радиолокационных измерительных стендов, с пространственным совмещением передающей и приёмной антенн, так и для стендов с разнесёнными антеннами, что может быть важно для организации экспериментальных исследований пространственных свойств нелинейных объектов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: плоский дипольный нелинейный рассеиватель; антенна «бабочка»; метод реального эталона.
Для цитирования: Бабанов Н.Ю., Корсаков С.С., Ларцов С.В., Самарин В.П. Об экспериментальном измерении уровня интенсивности вторичных нелинейных помех от электронных устройств с полупроводниковыми элементами // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2019. Т. 11. № 3. С. 14-25. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10265
Введение
Существенной группой помех связным радиоэлектронным системам являются так называемые нелинейные помехи [1], вызванные переизлучением облучающего сигнала на частотах его нелинейных продуктов — гармониках или комбинационных составляющих. Источниками нелинейных помех являются устройства, содержащие в своем составе радиоэлектронные компоненты, такие как диоды, транзисторы, микросхемы.
Процесс появления нелинейных помех связан с тем, что при облучении на проводящих частях электронных схем наводятся токи, которые искажаются при прохождении через полупроводниковые приборы и обогащаются нелинейными продуктами. В результате по проводящим частям электронных схем протекают токи на частотах нелинейных продуктов, которые вызывают излучение в окружающее пространство сигнала на частотах гармоник или комбинационных составляющих облучающего сигнала. Указанный процесс получил название эффекта нелинейного рассеяния радиоволн и исследуется в рамках проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС).
Соответственно одной из задач ЭМС является тестирование радиоэлектронных устройств и бытовых приборов на способность к нелинейному рассеянию.
Такое тестирование целесообразно выполнять на установках нелинейного зондирования [2-4] (УНЗ). Структурная схема такой установки представлена на рис. 1. Функционально УНЗ строится по тому же по принципу, что и нелинейные радиолокаторы [5-7]. Принципиальным отличием УНЗ от нелинейных радиолокаторов является исследование поля, рассеянного объектом, содержащим нелинейные компоненты, на частотах нелинейных продуктов облучающего сигнала (ОС) во всех направлениях, а не только в направлении облучения (или близком к нему направлении). Для этого приёмная и излучающая антенны УНЗ разносятся в пространстве, а в ходе экспериментов учитывается как положение/ориентация исследуемого объекта относительно фронта волны облучающего поля, так и его положение/ориентация относительно антенны УНЗ, принимающей ОС.
Общая методика измерений предполагает: размещение и настройку радиоаппаратуры (генератор ЗС, антенна излучения ЗС, антенна принимаемого сигнала (ПС) от исследуемого объекта, приёмник ПС, измерительное оборудование); размещение объекта исследования на некотором удалении от антенн; облучение объекта ЗС и анализ ПС. Перед выполнением измерения параметров исследуемого объекта необходимо выполнить калибровку радиолокационного измерительного стенда. Для этого исследуемый объект в зоне облучения заменяется некоторым эталонным отражателем с известной эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР — с ) и регистрируются соответствующие
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
¿¿У
! Iff/ !!Ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
излучаемая мощность ЗС — РЗСэт и мощность ПС — РПСэт. После этого эталонный отражатель изымается из зоны облучения и на его месте размещается исследуемый объект, который облучает ЗС мощностью — РЗСоб, достаточной для хорошей фиксации (хорошее соотношение сигнал/шум) уровня мощности ПС — РПСо6. В результате, по известному значению ЭПР эталона сэт и вышеуказанным значениям мощности оказывается возможным, практически, без влияния шумов, определить ЭПР реального объекта соб:
=
a •P •P
"эт ЗСэт ПСоб
P • P
г ЗСоб ПСэт
(1)
Подобный подход к калибровке основан на принципе взаимности, предполагающего равенство потерь сигналов на пути распространения радиолокатор — эталонный отражатель и обратно при совмещении приемной и передающей антенны радиолокатора, а соб является инвариантом относительно РЗС.
Теоретически, любой объект с известной ЭПР [2] может быть использован в качестве эталона. Перед исследователями стоит задача выбора подходящей конструкций эталона для калибровки конкретного стенда, т. е. конструкции, способной при заданном ЗС формировать ПС достаточной интенсивности и достаточной выраженности иных исследуемых характеристик. Эталонные отражатели обычно выполняют в виде хорошо изученных антенных конструкций — дипольная, шарообразная, рамочная, уголковая.
Для калибровки нелинейных стендов, содержащих нелинейные радиолокаторы, целесообразно использовать и нелинейные эталоны [8-9] (рис. 1), что определяет задачу создания таких эталонных нелинейных отражателей и расчета их характеристик [10]. Для нелинейного эталона принципиальной является способность формировать достаточно интенсивный ответный сигнал (ОС) на частотах гармоник или субгармоник ЗС (при монохроматическом ЗС), либо на комбинационных частотах [11] (при наличии в спектре ЗС нескольких составляющих). Это подразумевает наличие в составе эталонного рассеивателя полупроводниковых приборов [12-13] или контактов металл-окисел-металл, с нелинейными электромагнитными свойствами [3, 7].
На рис. 1 обозначено: РИС — мощность излученного ЗС, Оиа — коэффициент усиления излучающей антенны, ПИС — плотность потока мощности волны излученного ЗС на расстоянии 1 метр от излучающей антенны нелинейного радиолокатора, ПЗС — плотность потока мощности волны ЗС в месте расположения нелинейного рассеивателя, ПОС — плотность потока мощности волны ОС на частоте второй гармоники ЗС формируемой нелинейным рассе-ивателем на расстоянии 1 метр, ППС — плотность потока
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019
'АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Рис. 1. Схема нелинейного взаимодействия радиолокатора и рассеивателя
мощности волны ОС, падающей на приемную антенну нелинейного радиолокатора, £ПА — эффективная площадь приемной антенны, РПС — мощность принимаемого ОС, КЗС — коэффициент распространения ЗС на пути нелинейный радиолокатор—нелинейный рассеиватель, КОС — коэффициент распространения ОС на пути нелинейный рассеиватель — нелинейный радиолокатор, 1 — длина антенной части нелинейного рассеивателя, 9 — угол раскры-ва антенны.
Принципиальные отличия измерений на нелинейном стенде от линейного случая состоят в следующем: в нелинейной радиолокации не выполняется принцип взаимности, то есть в общем случае КЗС Ф КОС; параметры целей и, прежде всего, нелинейной ЭПР си, зависят от уровня мощности ЗС [11]:
С = °и(Пзс) = 4П ПОС/ ПЗ
(2)
В «линейной радиолокации» в качестве искомой величины, характеризующей отражательные свойства цели, используется ЭПР, а в нелинейной радиолокации для описания свойств отражения необходимо определить зависимость (2). Принципиальным моментом является то, что в нелинейной радиолокации кроме вычисления нелинейной ЭПР сп необходимо определять соответствующее ей значение плотности потока мощности волны ЗС, облучающей нелинейный рассеиватель ПЗС. Несколько упростить ситуацию может использование амплитудной характеристики (АХ) [14] вместо нелинейной ЭПР с :
которая является более понятной с точки зрения описания свойств и более удобной с точки зрения проведения измерений. Необходимо отметить, что нелинейная ЭПР сп зависит от тех же величин, что и АХ, а именно ПОС и ПЗС:
Си(Пзс) = 4пП0С / Пзс = 4^(Пзс) / Пзс.
(4)
Таким образом, использование метода замещения для измерения параметров и характеристик целей нелинейной радиолокации предполагает определение входящих в (3) величин для некоторого эталона, для которого функция Р1 известна заранее, и последующее определение подобной функции для исследуемого объекта с учетом данных, полученных для эталона. В ряде публикаций [9-10], [15] предлагалось использовать в качестве эталонов нелинейные излучатели с полупроводниковым диодом в нагрузке.
Процесс калибровки представляется следующим. При измерениях необходимо варьировать уровень излучаемой мощности РИС и фиксировать при этом мощность принимаемого сигнала РПС. При этом будет получена некоторая функциональная зависимость:
Р = р (р )
ПС ИС'-
(5)
Переход от зависимости (5) непосредственно к АХ (3) возможен в том случае, если известны коэффициенты распространения:
П0С = р1 (Пзс).
(3)
КЗС = РИС/ПЗС,
КОС = РПС/ПОС,
(6) (7)
определение которых и является целью калибровки. Практически это означает, что процесс измерения методом замещения предполагает предварительное измерение интенсивности волны ЗС, облучающей измеряемый объект или эталон [15,10] и нахождение величины (6), связывающей излучаемую мощность ЗС РИС и величину интенсивности волны облучающего ЗС ПЗС. По принятой классификации [4] данный подход следует отнести к промежуточному методу измерений радиолокационных целей между методом реального и косвенного эталона. В то же время авторы описанного выше способа утверждают, что выполнено одно из важных условий реализации метода реального эталона—теоретический расчет характеристик эталонного нелинейного рассеивателя.
Известен способ [16], позволяющий более точно реализовать для случая нелинейного рассеяния метод реального эталона, исключая процедуру измерения интенсивности волны ЗС в месте расположения объекта. Этот способ основан на применении нелинейного рассеивателя с характерной точкой на АХ [16-18], т. е. точкой, в которой описывающая АХ функция или ее производная испытывает скачек или содержит экстремум. Нелинейный рассе-иватель с характерной точкой на АХ обычно представляет собой антенну с нелинейной нагрузкой [19] со сложным нелинейным элементом в нагрузке, например сборкой различных диодов или диодом, содержащим несколько р-п переходов в своем составе, в частности, туннельные или обращенные диоды [14]. В качестве примера АХ, содержащих характерные точки, представлены (рис. 2) АХ нелинейных рассеивателей — проволочных полуволновых диполей, нагруженных на диоды ГИ401 и 1И103.
Наличие характерной точки на АХ позволяет вычислить коэффициенты распространения (6) и (7) по снятым значениям (получение зависимости (5)) для эталонного рассеивателя. В результате чего можно привести в соответствие значения Р*ПС К и П*ОС К, а так же Р*ИС К с П*ЗС К.
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
! ////
3-2019, H&ES RESEARC
В результате процедура калибровки ничем не отличается от процедуры измерения АХ неизвестного нелинейного рассеивателя:
1. Первоначально на измерительный стенд устанавливается калибровочный нелинейный рассеиватель с характерной точкой на АХ и измеряется зависимость РПС К от РИС К.
2. В зависимости РПС К от РИС К выявляется характерная точка со значениями Р* „ от Р*
ПС К ИС К
3. На АХ калибровочного нелинейного рассеивате-ля выявляется аналогичная характерная точка в которой определяются значения П*ОС К и П*ЗС К.
4. Определяются калибровочные коэффициенты:
К = Р* / П* К = Р* / П*
ЗС ИС К ЗС К' ОС ПС К ОС К
5. Устанавливают на измерительный стол новый измеряемый нелинейный рассеиватель и определяют для него зависимость: Рис об = F2(РИc об),
6. Измеренную зависимость преобразуют на АХ нелинейного рассеивателя:
ПОС ОБ F2(КЗС ПЗС ОБ-
) / КОС = ^(ПЗС об).
(8)
Рис. 2. Примеры АХ дипольных нелинейных рассеивателей, нагруженных на диоды ГИ401 и 1И103
Использование нелинейного рассеивателя с характерной точкой на АХ в качестве эталона позволяет реализовать метод замещения при измерениях параметров нелинейного рассеяния. Однако, до настоящего времени они не нашли широкого применения, и в основном используется метод косвенного эталона [17, 4].
По мнению авторов, это связано с тем, что не решены две важные задачи: 1) описанные до настоящего времени в литературе нелинейные рассеиватели с характерной точкой на АХ были узкополосными дипольными нелинейными рассеивателями, что предполагало наличие не одного, а целого ряда эталонных дипольных нелинейных рассе-ивателей для обеспечения диапазонных измерений; 2) не существовало метода теоретического расчёта характеристик дипольных нелинейных рассеивателей с характерной точкой на АХ. Решением указанных задач может быть конструкция широкополосного дипольного нелинейного рассеивателя с характерной точкой на АХ, подкрепленная методикой расчета его АХ.
Анализ свойств широкополосного дипольного нелинейного рассеивателя с характерной точкой в амплитудной характеристике
В настоящее время известны только дипольные нелинейные рассеиватели с характерной точкой на АХ. Поэтому в первую очередь целесообразно рассмотреть возможность использования широкополосных дипольных излучателей. Хорошие характеристики с этой точки зрения можно ожидать от плоских и биконических антенных
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
№ 3-2019
излучателей. Данные излучатели просты для технической реализации, для них есть хорошо развитая теория [20], они хорошо апробированы в нелинейной радиолокации [21], [22] для задач моделирования свойств объектов и проверки работоспособности нелинейных радиолокаторов. В данной работе будет рассматриваться плоский излучатель, представляющий собой два равнобедренных треугольника (см. рис. 1). Данная антенная конструкция известна также под названием антенна «бабочка» или в англоязычной литературе «butterfly», «bowtie», «batwing». Поиск решения поставленной задачи будет происходить на основе исследования свойств плоского дипольного нелинейного рассе-ивателя (ПДНР), нагруженного на диод с несколькими p-n переходами, в частности, туннельными или обращенными диодами.
В настоящее время для антенны бабочки известна методика расчёта коэффициента усиления и входного сопротивления в широкой полосе [20]. Рассматриваемая симметричная плоская дипольная антенна состоит из двух равных треугольных частей, направленных друг к другу вершинами, между которыми подключается нагрузка. Общая длина антенны 1, а углы раскрыва при нагрузке — 0. Согласно [20] входное сопротивление, коэффициент укорочения и частотный интервал такой антенны определяются углом раскрыва 0. Большую ширину полосы частот в дециметровом диапазоне волн обеспечивают углы 0 от 60° до 80°. Входное сопротивление почти постоянно в относительно широком диапазоне частот. Реактивная часть входного импеданса и её частотный ход пренебрежимо малы, а длина l благодаря широкополосности излучателя слабо влияет на основные параметры. Из представленных в [20] данных следует, что входное сопротивление плоского вибратора Ra с углом раскрыва а = 70° и длиной 450 мм в дециметровом диапазоне длин волн составляет около 180 Ом. Значения коэффициента усиления в диапазоне частот от 500 до 900 МГц варьируется от 1,5 до 4,3 дБ.
Таким образом, при построении конструкции эталонного нелинейного рассеивателя для широкополосной ЭУ целесообразно в качестве антенной части рассматривать плоские дипольные антенны со средними углами раскры-ва, что позволит минимизировать реактивность входного сопротивления.
Цель работы обуславливает решение задачи согласования плоской дипольной антенны и нелинейного элемента, что предполагает расчёт импеданса последнего, а также решение задачи определения положения особых точек на АХ ПДНР. Для решения этих задач может быть использована методика расчёта АХ, предложенная в [18]. Методика предполагает этапы:
1. Представление ПДНР в виде эквивалентной схемы. На этом этапе вычисляются входные сопротивления и эффективные пощади плоской дипольной антенны на ча-
стотах ЗС и ОС: ЗДс), ^зс(/зс,Озс,РзС0зс) и ВД^ ^ОС^ОС аОС, РОС, 0ОС), а так же формируется эквивалентная схема нелинейного элемента.
2. Составляются уравнения Кирхгофа для эквивалентной семы.
3. При помощи программного вычислительного
комплекса находится зависимость ПОС(/НП) = ПОС(ЕЗС):
4.
ПОС(/НП)|Д=1м
= ВДт) ^Езс^нп/нлп'РнпЛп)^ (10)
где г — ток на частоте нелинейного продукта, и зависимость: 2НЭ(/ЗС) = 2НЭ(ЕЗС).
5. По вычисленным в программном комплексе зависимостям определяется связь величины ЭДС ЕЗС и потока падающей волны зондирующего сигнала ПЗС:
Пзс('зс) ПЗС(РЗС).
(11)
6. Зависимости (10) и (11) преобразовывают в искомую АХ ПДНР (3) путем исключения из них ЕЗС.
Для расчета АХ ПДНР воспользуемся его эквивалентной схемой из [21], представленной на рис. 3.
Эквивалентная схема ПДНР содержит два независимых контура, которые обозначены I и II. Обозначая напряжение, приложенное к выводам диода,— иа и напряжение нар-п переходе — и, может быть составлена система уравнений Кирхгофа:
I: £= iaRa + ud
di2
II: ud = Lk —2 + i2 Rb + u
dt
Рис. 3. Эквивалентная схема плоского дипольного нелинейного рассеивателя: g(u) — проводимость р-п перехода g =1/ гп; гп — сопротивление р-п перехода; С(и) — емкость р-п перехода; Яь — сопротивление базы, омического контакта и выводов диода; Ск — емкость корпуса диода; Ьк — индуктивность выводов и контактной пружины, соединяющей кристалл с одним из выводов
Vol 11 No 3-2019 RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
H&ES RESEARC-\/lUNICATION
W "O- ■ -—* /
A: ia = i2 + ij
B: '2 = i3 + i4
du j
AC: i. =
1 k dt
BD : i4 = gu; i3 =
(12)
d(CU) du
dt dt
Число уравнений может быть сокращено путём ис-
dia 1 . . 1 ds
=-(i2 - ia )+--
dt CkRa 2 ^ Ra dt
di2 1
~t = — (s- iaRa — hRb — u)
at Lk
^ = -da - h)
dt Ck a 2 du i2 — gu dt d (Cu) du
(13)
технологии изготовления р-п перехода, от материала полупроводника и температуры. Учитывая, что температурный потенциал фТ = kT/q, а интервал энергий 5 W = акТ, где к—постоянная Больцмана, Т—температура, и а—коэффициент, зависящий от распределения примесей в переходе (а = 1/3 для плавного перехода и а = 1/2 для резкого перехода), выражение (14) может быть записано в виде:
г (и ) 27 г Ud
1Т (и ) =—Il— 4 афТ
1 —
афТ
(15)
- 71
и 2и
аФт (афТ )2 (афТ )3
- а1и + а2и2 + а3и3.
Соответственно проводимость туннельного участка вольт-амперной характеристики gT:
(dIT) J. , и , и 2
gT =-= b0 + bu + b2u .
du
Для введённых коэффициентов справедливо:
Для дальнейшего рассмотрения данной системы необходимо решение вопроса с описанием функций основных нелинейных параметров диода, а именно: проводимости g(u) и ёмкости С(и). В качестве нагрузки в данной работе будем рассматривать туннельный диод ГИ 103, для которого наблюдались характерные точки [14] на АХ при их включении в нагрузку нелинейных рассеивателей, образованных проволочными полуволновыми (на частоте ЗС) диполями. Для данных диодов известны основные параметры и вольт-амперные характеристики [23].
Вольт-амперная характеристика туннельного диода складывается из туннельного тока 1Т и диффузионного (тока проводимости) 1Р [23] (см. рис. 4).
Зависимость туннельного тока от напряжения может быть записана следующим образом [24]:
IT = 27IiqLfi_ VL
T 4 18WI 8W
(14)
где 11 соответствует максимуму туннельного тока, достигаемому при Ц = 5W/3q (см. рис. 1), q — это элементарный заряд, 5 W — ширина области перекрытия зон (от дна зоны проводимости в «-полупроводнике до потолка валентной зоны в /»-полупроводнике). Координаты максимума пика на вольтамперной характеристике диода I и и зависят от
/1
H
ь0 = a =
27 I, ; 4 афг
Ь = 2a2 = - ——
4 («Фг )
27 3I1
b = 3a =
(афг
"h
Туннельный ток | _ Ток | ■^Т^диффузийнН ый : и
s
и 1 (/2 и\ '
Рис. 4. Качественный вид прямой ветви вольт-амперной характеристики туннельного диода (сплошная линия). Туннельному току соответствует пунктирная линяя, току проводимости — штрихпунктирная
2
ключения токов г,, i, и г :
Р 3 4
и
2
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т 11 № 3-2019 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
Учитывая, что выражение (15) пригодно и для обратных смещений, нахождение данных коэффициентов позволяет получить удобное для вычислений выражение зависимости I (и) для всего диапазона рабочих напряжений.
Диффузионный ток через р-п переход, при напряжении на переходе и, описывается экспоненциальной зависимостью с коэффициентом 10, соответствующим току насыщения:
!Р (и ) = I
и \
п ФГ _ 1
У
где т = 2 при всех значениях и для кремниевых диодов; для германиевых диодов т = 1 при и < (6^7) фт и т = 2 при других значениях и; для начального участка вольт-амперной характеристики точечных диодов т = 2, т. к. даже при небольших токах уровень инжекции оказывается значительным из-за малой площади перехода [23]. Для нахождения значения тока насыщения 10 могут быть использованы справочные данные, определяющие положение точки (I из) на вольт-амперной характеристике:
( и \
еш Фг _!
I0 = II /
Тогда выражение для расчёта диффузионного тока I (и) примет вид:
г _^ л ( и л
1Р = I Фт _ 1 / , (16)
V У V У
а для диффузионной проводимости:
ёр (и) =
ЛР (и)
du
туТ
-ехр
( \ и
туТ
где go = -
тут
( и3
-1
Ъ = ■
тфт
На основе полученных выражений для 1т(и) и 1р (и) могут быть получены аналитические выражения для вольт-амперных характеристик /2(и) = 1т(и) + I (и) туннельного диода ГИ103, путём вычисления коэффициентов а, а а3, g0, Ь.
Нелинейная ёмкость туннельного диода, согласно [25], определяется выражением:
С (и ) = 1,055
ЫППа
8 %(иа - и )) + па
где — площадь р-п перехода, 4 — диэлектрическая проницаемость среды, пи па — концентрации ионизированных доноров и акцепторов по обе стороны р-п перехода. Вариация ёмкости туннельного диода, согласно [25], в интервале напряжений, соответствующем туннельному току, составляет 20-30%, поэтому при проведении численных экспериментов, не связанных с изучением параметрических явлений, ёмкость диода может считаться постоянной.
Выражения (15) и (16) для расчёта нелинейного тока /2(и) были использованы для численного построения АХ ПДНР с использованием программно-вычислительного комплекса LabVIEW по аналогии с работой [25].
В результате были получены АХ для частот ЗС в диапазоне / = 100^800 МГц, (ОС рассчитывался на частоте второй гармоники ЗС: / = 200^1600 МГц) и сопротивления плоской дипольной антенны Яа = 180 Ом, нагруженной на туннельный диод ГИ103 (рис. 5). ПДНР с туннельным диодом ГИ103 оказались свойственны АХ с чётко выраженными точками экстремума.
Представленные выше АХ получены без учета взаимного пространственного расположения излучающей
0
Рис. 5. Амплитудные характеристики ПДНР с нелинейной частью в виде диода ГИ103 для ОС на частоте второй гармоники ЗС и сопротивлении антенны Яа = 180 Ом
и приемной антенн измерительного стенда и направленных свойств ПДНР. Полученные характеристики справедливы для случая совпадения направлений ЗС и ОС с нормалью ПДНР. В общем случае (рис. 6) влияние пространственных свойств может быть учтено при рассмотрении первого этапа предложенной методики, а именно при
расчете значений ^ЗС(/ЗС,аЗС,РЗС,0ЗС) и Goc(foc, аoc, Рос 0ОС).
Ввиду линейной зависимости ПЗС и ПОС от указанных величин форма АХ ПДНР не будет претерпевать существенных изменений, а будет иметь место смещение относительно осей координат. На рис. 7 представлена АХ полученная при таких же входных параметрах, как в случае рассмотренном выше, за исключением значений углов облучения 0ЗС = 45°, и отражения 0ОС = 30°. В ходе расчётов предполагалось, что центр ПДНР и волновые вектора ЗС и ОС лежат в одной плоскости, поэтому предполагалось достаточным рассмотрение зависимости 5ЗС(/ЗС,9ЗС) и ^ОС(/ОС,0ОС) от одного углового значения.
¿¿У !!Ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
Полученная с учётом угловых значений 9ЗС и 9ОС АХ (рис. 7) качественно не отличается от представленной выше (см. рис. 5) АХ. Отличие состоит лишь в смещении относительно осей координат. Связано это с тем, что представленная методика расчёта АХ предполагает решение обратной задачи, т.е. входным параметром является ЭДС, наведенная в антенной части ПДНР, а не ПЗС. При изменении угла облучения 9ЗС будет меняться эффективная площадь антенной части ПДНР £ЗС и, соответственно, значение П^С, необходимое для наведения фиксированной ЕЗС. В связи с этим происходит смещение АХ вдоль оси абсцисс. Значение ПОС изменяется вследствие изменения 0ОС (учета свойств направленности антенной части ПДНР), поэтому имеет место смещение АХ как вдоль оси ординат.
Помимо анализа амплитудных свойств ПДНР необходимо уделить внимание и его амплитудно-частотным свойствам. Как было отмечено выше, наиболее широкополосные свойства проявляют плоские дипольные антенны
Рис. 6. Схема взаимодействия измерительного стенда и ПДНР
Пзс. дБВт/м2
S -2Û -IS -10 -5 a
— | ---100МГц \ 1 ------ 200МГц
Л /\
А _(_*_ _s_
' \ / л \ / \ * -400МГц V \---600МГц
, 7 \ 1 1 Ч / \ / * * \ < \ 1
1 v V 1 /V / M
Пос, дБВт/м2
Рис. 7. Амплитудные характеристики ПДНР с нелинейной частью в виде диода ГИ103 для ОС на частоте второй гармоники ЗС и сопротивлении антенны Яа = 180 Ом. При значениях углов облучения q
X<N\ \\\\
4 NVA W\\
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
№ 3-2019
с углами раскрыва 0 от 60° до 80°. В связи с чем, для рассмотренного ПДНР также были найдены калибровочные амплитудно-частотные характеристики (рис. 8).
Данные калибровочные характеристики показали, что с ростом частоты ЗС/ЗС в диапазоне/ЗС = 100^400 МГц происходит рост значений плотности потока мощности ОС ПОС на частоте второй гармоники, при которых наблюдается экстремум на амплитудной характеристике. При значениях частоты ЗС /ЗС в диапазоне /ЗС = 400^800 МГц соответствующее экстремуму значение ПОС изменяется относительно слабо. Качественно аналогичная ситуация характерна и для плотности потока мощности ЗС П^, только изменению поведения функции соответствует значение ча-стоты/х ~ 550 МГц (рис. 8).
Полученные расчётным путём данные говорят о том, что для решения задачи калибровки нелинейного радиолокатора в качестве эталона может использоваться ПДНР с углом раскрыва антенны порядка 0 ~ 70° и длиной антенной части 1 = 0,4 м, обладающий свойствами широко-полосности, выраженности точки максимума на АХ и обеспечения приемлемой согласованности антенной части и нелинейного элемента (ГЗС < 0,2).
Заключение
1. Расчётным путем построены амплитудные характеристики плоского дипольного нелинейного рассеивате-ля с нелинейной частью в виде туннельного диода для различных значений частоты зондирующего сигнала.
2. По виду амплитудных характеристик подтверждена возможность применения в качестве эталона плоского дипольного нелинейного рассеивателя с нагрузкой
Рис. 8. Калибровочные амплитудно-частотные характеристики для ПДНР с нелинейной частью в виде диода ГИ103 и антенным сопротивлением Яа = 180 Ом. Сплошная линяя соответствует ЗС, пунктирная - ОС.
в виде туннельного диода для решения задач калибровки нелинейных радиолокаторов и измерительных стендов.
Литература
1. Горбачев А.А., Ларцов С. В., Тараканов С. П., Чи-гин Е. П. Помехи в системах нелинейного зондирования // Радиотехника и электроника. 1998. № 1. С. 71-76.
2. Hager R. O. Harmonic radar systems for near-ground in foliage nonlinear scatteres // IEEE Transactions on Aerospace and Electron Systems. 1976. Vol. 2. No. 2. Pp. 35-39.
3. Opitz C. L. Metall-detecting radars rejects clutter naturally // Microwaves. 1976. No. 8. Pp. 43-47.
4. Штейншлейгер В. Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами // Успехи физических наук. 1984. Т. 142. Вып. 1. С. 131-135. DOI: 10.3367/ UFNr.0142.198401e.0131
5. Кобак В. О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио, 1975. 348 с.
6. Майзельс Н.Е., Торгованов В. А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М.: Сов. радио, 1972. 232 с.
7. Бескид П.П., Леоньтьев В. В. Классификация импульсных методов измерения рассеивающих свойств радиолокационных целей // Известия Ленинградского электротехнического института. 1983. № 328. С. 54-58.
8. Панычев С. Н.Нелинейные радиоизмерения и контроль характеристик изделий военной электроники: Монография. Воронеж: Изд-во Военного институтa радиоэлектроники, 2004. 178 с.
9. Шиндин А.В., Яшнов В. А. Экспериментальное исследование фрактальных нелинейных рассеивателей // Труды Научной конференции по радиофизике, посвященной 80-летию со дня рождения Б. Н. Гершмана (Нижний Новгород, 7 мая 2004 г.). Н. Новгород: ТАЛАМ, 2004. C. 70-71.
10.Маюнов А.Т., Михайлов Г. Д., Разиньков С. Н. Основы технического облика нелинейного эталонного отражателя // Измерительная техника. 1997. № 12. С. 35-39.
11. Горбачев А. А. Особенности зондирования электромагнитными волнами сред с нелинейными включениями // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 2. С. 152-157.
12. Вернигоров Н. С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами // Радиотехника и электроника. 1997. Т. 42. № 10. С. 1181-1185.
13.Щербаков Г. Н. Применение нелинейной радиолокации для дистанционного обнаружения малоразмерных объектов // Специальная техника. 1999. № 1. С. 34-39.
14.Горбачев А.А., Ларцов С. В., Тараканков С. П., Чигин Е. П. Амплитудные характеристики нелинейных
рассеивателей // Радиотехника и электроника. 1996. Т. 41. № 5. С. 558-562.
15. Беляев В. В., МаюновА. Т., Панычев С.Н., Разинь-ков С. Н. Использование антенн с нелинейной нагрузкой для калибровки систем измерения радиолокационных характеристик объектов на гармониках // Антенны. 2001. № 5(51). С. 52-56.
16.Горбачев А. А. Ларцов С. В., Тараканков С. П.Измерение характеристик объектов, нелинейно рассеивающих электромагнитные волны // Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 6. С. 659-665.
17. Патент СССР 1700498. Способ определения эффективной площади антенны / Бабанов Н. Ю., Горбачёв П. А., Ларцов С. В., Тараканков С. П. Заявл. 08.08.88; Опубл. 23.12.1991. Бюл. № 47. 4 с.
18. Бабанов Н.Ю., Ларцов С. В. Измерения характеристик пассивных нелинейных радиоответчиков // Датчики и системы. 2014. № 9. С. 20-25.
19. Усленги П., Скотт Э., Маклафлин Д., Безиерис И. Нелинейные электромагнитные волны: пер с англ. М.: Мир, 1983. 312 с.
20. Ротхаммель К. Антенны: в 2 т.: пер с нем. 11-е изд. М.: Лайт-ЛТД, 2007. Т. 1. 420 с.; Т. 2. 416 с.
Vol 11 N
RF TECHNOLOGY AND COMMUN!
¿¿У
! Iff/ !!Ч Hi'
3-2019, H&ES RESEARC
21.Щербаков Г.Н., Николаев А. В., Прохоркин А. Г., Усманов Р. И., Шлыков Ю. А. Исследование рассеивающих свойств нелинейного биконического отражателя — физической модели боеприпаса с электронным и устройствами // Спецтехника и связь. 2011. № 1. С. 33-39.
22.Макурин М.Н., Чубинский Н. П. Расчет характеристик биконической антенны методом частичных областей // Радиотехника и электроника. 2007. № 10. С. 1199-1208.
23. Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Энергия, 1977. 672 с.
24.Ржевки К. С. Физические принципы действия полупроводниковых приборов. М.: Изд-во МГУ, 1986. 254 с.
25. Фистуль В.И., Шварц Н. З. Туннельные диоды // Успехи физических наук. 1962. Т. 77. Вып. 5. С. 109-160. DOI: 10.3367/ОТ№.0077.196205с.0109
26. Бабанов Н.Ю., Корсаков С. С., Ларцов С. В., Николаев А. В., Самарин В. П. О расчете амплитудной характеристики биконического нелинейного рассеи-вателя, нагруженного на полупроводниковый диод // Проектирование и технология электронных средств. 2018. № 1. С. 18-26.
НПЦИРС
Научно-производственный центр Информационных региональных систем
► npcirs.ru
Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр информационных региональных систем" является предприятием, разрабатывающим автоматизированные системы специального назначения.
Основными направлениями нашей деятельности являются:
- проектирование, создание и ремонт автоматизированных систем управления и их составных частей, систем обработки данных, программного обеспечения, информационных систем для государственных организаций и коммерческих компаний;
- разработка общесистемного и прикладного ПО, внедрение и сопровождение информационных систем;
- защита информации в системах управления, локальных вычислительных сетях, программно-аппаратных комплексах, телекоммуникационных системах;
- производство и поставка технических средств, в офисном и защищенном исполнении;
■ создание, внедрение и сопровождение оперативных и учетных систем любой сложности;
- анализ автоматизированных систем на предмет разработки к ним классификаторов и нормативно-справочной информации;
- разработка проектов и создание глобальных, корпоративных, локальных телекоммуникационных систем и структурированных кабельных сетей.
Телефон; 8(800)100-40-90 E-mail: admin¡[email protected]
НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ЗЕМЛИ, Т
№ 3-2019
АДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
//
ABOUT THE EXPERIMENTION MEASUREMENTS OF SECONDARY NON-LINEAR INTERFERENCES INTENSITY LEVEL FROM THE SEMICONDUCTOR ELECTRONIC DEVICES
NIKOLAY Y. BABANOV, KEYWORDS: nonlinear flat dipole scatterer; butterfly antenna; meth-
N.Novgorod, Russia, [email protected] od of a real standard.
SERGEY S. KORSAKOV,
N.Novgorod, Russia, [email protected]
SERGEY V. LARTSOV,
N.Novgorod, Russia, [email protected]
VALERIY P. SAMARIN,
N.Novgorod, Russia, [email protected]
ABSTRACT
Certain electronic devices, while being radiated by external field can generate scattering signal, which can become interference for nearby radio-receiving apparatus in wide bandwidth. For measuring of parameters of the field, scattered by such non-linear objects, there is a necessity of calibration of radar measuring device. For this purpose a benchmark(standard) can be used. For example a passive non-linear reflector with determined effective scattering surface, capable to generate intensive scattering signal in a quite wide bandwidth or several reference non-linear scatters with a more narrow operational band for promoting measurements in a defined range. This study proposes construction of standard non-linear reflector, used for calibration of broadband non-liner radar measuring device and describes calibrating procedure. Proposed construction is a kind of broadband antenna, known as "butterfly" antenna, connected to a tunnel diode. Optimal dimensions of the antenna are chosen basin on necessity to work in wide bandwidth. Equivalent radio engineering circuit of the standard is presented in the research and mathematic model is build. Basing on that mathematic model the numerical experiment is performed. The experiment is resulted in building of diagrams of amplitude and calibrating amplitude-frequency parameters of the standard in wide bandwidth. Presence of the extreme points at the diagrams proves possibility of applying of described construction of non-linear reflector as a benchmark (standard) for calibrating procedures. Its applicability is justified both for radar measuring device equipped with combined transmitting and receiving antennas and for measuring device equipped with separated ones, which may have importance for experimental studies of spatial features of non-linear objects.
REFERENCES
1. Gorbachev A. A., Lartsov S. V., Tarakankov S. P., Chigin E. P. Interferences in nonlinear probing systems. Journal of Communications Technology and Electronics. 1998. Vol. 43. No. 1. Pp. 68-72.
2. Hager R. O. Harmonic radar systems for near-ground in foliage nonlinear. IEEE Transactions on Aerospace and Electron Systems. 1976. Vol. 2. No. 2. Pp. 35-39.
3. Opitz C. L. Metall-detecting radars rejects clutter naturally. Microwaves. 1976. No. 8. Pp. 43-47.
4. Shteinshleiger V. B. Nonlinear scattering of radio waves by metallic objects. Sov. Phys. Usp. 1984. Vol. 27. Pp. 60-68. DOI: 10.1070/PU-1984v027n01ABEH004020
5. Kobak V. O. Radiolokatsionnyye otrazhateli [Radar reflectors]. Moscow: Sovetskoe radio, 1975. 348 p. (In Russian)
6. Mayzel's N.E., Torgovanov V. A. Izmereniye kharakteristik rassey-aniya radiolokatsionnykh tseley [Scattering characteristics measurement of radar]. Moscow: Sovetskoe radio, 1972. 323 p. (In Russian)
7. Beskid P. P., Leon't'yev V. V. Classification of pulse methods for measuring the scattering properties of radar targets [Classification of pulse methods for measuring the scattering properties of radar targets]. Izvestiya Leningradskogo elektrotekhnicheskogo instituta [News of the Leningrad Electrical Engineering Institute]. 1983. No. 328. Pp. 54-58. (In Russian)
8. Panychev S. N. Nelineynyye radioizmereniya i kontrol' kharakteristik izdeliy voyennoy elektroniki [Nonlinear radio measurements and control characteristics of military electronics products. Monograph]. Voronezh: Military Institute of radio engineering Publ., 2004. 178 p. (In Russian)
9. Shindin A. V., Yashnov V. A. Experimental study of fractal nonlinear scatterers. Proceedings of the (8th) Scientific Conference on Radio-physics devoted to the 80-th Anniversary of B. N. Gershman's Birth (May 7, 2004). Nizhni Novgorod: TALAM Press, 2004. Pp. 70-71. (In Russian)
10. Mayunov A. T., Mikhailov G. D., Razin'kov S. N. Principles of the technical aspect of a nonlinear standard reflector. Measurement Techniques. 1997. Vol. 40. No. 12. Pp. 1185-1190.
11. Gorbachev A. A. Features of sensing by electromagnetic waves of media with nonlinear inclusions [Electromagnetic waves sensing peculiarities for the medium with non-linear inclusions]. Radiotekh-nika i elektronika [Radio engineering and electronics]. 1996. Vol. 41. No. 2. Pp. 152-157. (In Russian)
12. Vernigorov N. S. The process of nonlinear transformation and scattering of an electromagnetic field by an electrically nonlinear object [Electromagnetic field scattering and nonlinear transformation process by electrically nonlinear objects]. Radiotekhnika i elek-tronika [Radio engineering and electronics]. 1997. Vol. 42. No. 10. Pp. 1181-1185. (In Russian)
13. Shcherbakov G. N. Application of nonlinear radar for remote detection of small objects [Nonlinear radar application for remote detection of small objects]. Spetsial'naya tekhnika [Special equipment]. 1999. No. 1. Pp. 34-39. (In Russian)
14. Gorbachev A. A., Lartsov S. V., Tarakankov S. P., Chigin E. P. Amplitude characteristics of nonlinear scatters. Journal of Communications Technology and Electronics. 1996. Vol. 41. No. 6. Pp. 515-519.
15. Belyaev V. V., Mayunov A. T., Panychev S. N., Razinkov S. N. Use of antennas with nonlinear load for calibration of systems of measurement of radar characteristics of objects on harmonics [Nonlinear loading antennas using for calibration of harmonic radar systems for objects characteristics measurement]. Antenny [Antennas]. 2001. No. 5 (51). Pp. 52-56. (In Russian)
16. Gorbachev A. A., Lartsov S. V., Tarakanov S. P. Measurement of the characteristics of objects that nonlinearly scatter electromagnetic waves. Journal of Communications Technology and Electronics. 2001. Vol. 46. No. 6. Pp. 609-614.
17. Patent 1700498 USSR. Sposob opredeleniya effektivnoy plosh-chadi antenny. [Determining method for antenna effective area]. Babanov N. Y., Gorbachev A. A., Lartsov S. V., Tarakanov S. P. Declared 08.08.88. Published 23.12.1991. Bulletin No. 47. 4 p. (In Russian)
18. Babanov N. Y., Lartsov S. V. About measuring characteristics necessary for constructing passive nonlinear radio transponders. Datchi-ki & Systemi [Sensors & Systems]. 2014. No. 9. Pp. 20-25. (In Russian)
19. Uslenghi P. (Ed.) Nonlinear Electromagnetics. New York: Academic Press, 1980. 436 p.
20. Rothammel K. Antennenbuch. 11., überarb. u. erw. Aufl. Berlin: Militärverl. der DDR, 1989. 685 s.
21. Shcherbakov G. N., Nikolayev A. V., Prokhorkin A.G., Usmanov R. I., Shlykov Y. A. Investigation of the scattering properties of a nonlinear bionic reflector - a physical model of a munition with electronic devices [Scattering properties study for non-linear biconical reflector -physical model of the munition with electronic devices]. Spetstekh-nika i svyaz' [Special equipment and communication]. 2011. No. 1. Pp. 33-39. (In Russian)
22. Makurin M. N. Chubinskii N. P. The characteristics of a biconical antenna calculated via the partial-domain method. Journal of Communications Technology and Electronics. 2007. Vol. 52. No. 10. Pp. 1104-1113.
23. Stepanenko I. P. Osnovy teorii tranzistorov i tranzistornykh skhem [The bases of transistors and transistor circuits theory]. Ed. 4th. Moscow: Energiya, 1977. 672 p. (In Russian)
24. Rzhevkin K. S. Fizicheskiye printsipy deystviya poluprovodnikovy-kh priborov [Physical principles of semiconductor devices]. Moscow: Moscow State University Publ., 1986. 254 p. (In Russian)
25. Fistul' V. I., Shvarts N. Z. Tunnel diodes. Sov. Phys. Usp. 1962. Issue 5. Pp. 430-459. DOI: 10.1070/PU1962v005n03ABEH003425
26. Babanov N. Y., Korsakov S. S., Lartsov S. V., Nikolaev A. V., Sama-rin V. P. About calculation of amplitude characteristic of biconical nonlinear scatterer, connected to semiconductor diode. Proyekti-rovaniye i tekhnologiya elektronnykh sredstv [Design and technology of electronic means]. 2018. No. 1. Pp. 18-26. (In Russian)
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Babanov N.Yu., PhD, Docent, Vice-rector for Scientific work at Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU); Korsakov S.S., Post-graduate student of the Ivanovskiy State University;
Lartsov S.V., PhD, Professor, Chief Engineer of JSC "Giprogazcentre"; Samarin V.P., PhD, Docent, Senior Researcher at Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev (NNSTU).
For citation: Babanov N.Y., Korsakov S.S., Lartsov S.V., Samarin V.P. About the experimention measurements of secondary non-linear interferences intensity level from the semiconductor electronic devices. H&ES Research. 2019. Vol. 11. No. 3. Pp. 14-25. doi: 10.24411/2409-54192018-10265 (In Russian)
