CC BY
10
РАДЮЕЛЕКТРОН1КА
УДК 621.373.5: 629.439
ТРАКТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ МАРКЕРНО-СВЯЗНОГО ВОЛНОВОДА В РАДИОВОЛНОВОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТОЛЕВИТИРУЮЩИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ СРЕДСТВАМИ
В.Н.Привалов, С.В.Плаксин
Представлены аппаратурное построение и результаты экспериментального исследования сверхвысокочастотного (СВЧ) усилителя типа модулятор-демодулятор с комбинацией автодинного и параметрического преобразования сигналов, исследуемого в качестве компенсатора потерь магистрального волновода радиоволновой системы управления экипажем с магнитным подвесом.
Представлено апаратурну побудову г результати експе-риментального дослгдження надвисокочастотного (НВЧ) тд-силювача типу модулятор-демодулятор з комбтащею авто-динного г параметричного перетворення сигналгв, дослгджу-ваного як компенсатор втрат маггстрального хвилеводу ра-д1охвильовоЧ системи керування екгпажем з магнгтним пгд-
Presented apparat-building and results of the experimental study super-high-frequency (SHF) amplifier of type a modulator-demodulator with the combination autodin and parametric transformation of signals, under investigation as a loss compensator main waveguide radiowave managerial system by the crew with the magnetic carriage.
При распространении электромагнитной волны по волноводу любого типа неизбежны потери волны как за счет потерь на затухание в стенках волновода, так и за счет потерь преобразования типов волн и излучения части энергии из продольных щелей в маркерно-связном магистральном волноводе. Естественно, что с увеличением длины транспортной линии эти потери растут и необходима компенсация потерь. Величину потерь нетрудно оценить расчетным путем, а также с большой точностью измерить инструментально. Это позволяет предъявить требования к параметрам трактовых СВЧ-усилителей, определить периодичность их размещения вдоль магистрального маркерно-связного волновода радиоволновой системы управления магнитолевитирующими транспортными средствами.
Естественно, что разработки перспективных видов транспорта должны базироваться на современной радиоэлектронной базе и учитывать тенденции развития соответствующих радиоэлектронных компонентов.
Функциональные устройства на основе объемных полупроводников с отрицательным дифференциальным сопротивлением [1.2], удовлетворяют этому условию и в качестве трактового усилителя для маркерно-связного волновода был выбран сверхвысокочастотный (СВЧ) усилитель типа модулятор-демодулятор на диоде Ганна.
Суть этого технического решения видна из рисунка 1. Полупроводниковая диодная структура 1 в керамическом корпусе размещается в сверхвысокочастотном резонаторе 2, образованном отрезком волновода с короткозамкнутым
поршнем 3. Напряжение питания от источника 4 подается на диод через развязывающий дроссель 5 и фильтр нижних частот 6. Входной СВЧ сигнал частотой Юс, моделируемый источником 7, через суммирующее устройство 8 и циркулятор 9 поступает на диодную структуру 1, которая генерирует сигнал на частоте резонатора Юг . За счет нелинейности полупроводниковой диодной структуры на контуре промежуточной частоты 10 развивается сигнал разностной частоты Юпч = Юс - Юг (автодинный режим), который поступает на нагрузку 11 и может являться информативным, например, свидетельствовать об исправности участка магистрального волновода и источника сигнала, запитывающего маркерно-связной волновод. Часть сигнала промежуточной частоты через направленный ответвитель 12 поступает на сигнальный вход параметрического преобразователя 13, ко второму входу которого через фазовращатель 14 подключено второе плечо ферритового циркулятора. Выходное плечо параметрического повышающего преобразователя (рис.2) через систему расфильтровки 15 подсоединено к суммирующему устройству, подключенному к первому плечу циркулятора. Нетрудно показать, что при подаче на параметрический повышающий преобразователь, емкость варикапа в котором под воздействием сигнала Юг изменяется по закону C(t) = C^in Юг?,
сигнала промежуточной частоты ипч = U cos (юпч + ф), напряжение на комбинационной частоте Юс = Юг + Юпч ,
Рисунок 1 - Трактовый усилитель типа модулятор-демодулятор
44
ISSN 1607-3274 "Радюелектрошка. 1нформатика. Управл1ння" № 2, 2001
В.Н.Привалов, С.В.Плаксин: ТРАКТОВЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ МАРКЕРНО-СВЯЗНОГО ВОЛНОВОДА В РАДИОВОЛНОВОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ МАГНИТОЛЕВИТИРУКЩИМИ ТРАНСПОРТНЫМИ
Рисунок 2 - Общий вид повышающего параметрического преобразователя: 1 - сигнальный вход (Юпч ); 2 - ввод напряжения смещения варикапа (1А 401 Б); 3 - орган настройки контура промежуточной частоты (Юпч ); 4 - вход сигнала
накачки (Юг ); 5 - вход преобразованного сигнала ( Юс )
и2 = т- Юс и1 ^нео8 (юс г + ф)
(1)
(здесь - сопротивление нагрузки для частоты Юс, С1 - амплитуда изменения емкости) находится в фазе с входным сигналом Юпч, а добавочное напряжение в сигнальном контуре
и3 = -4 С21 ипч^н®с Юпч^пчео8 (юпчг + ф) (2)
находится точно в противофазе с входным сигналом. Регулировкой фазовращателя 15 обеспечивается максимальное значение коэффициента усиления. Соотношения Мэнли - Роу для данного случая могут быть представлены в виде:
Р Р
+ = 0, Юг Юс
- --пч + рс = 0,
Юпч Юс
(3)
(4)
где Р , Рг , Рс - мощности на частоте сигнала Юпч , частоте накачки Юг и преобразованной частоте Юс , соответственно. При положительном значении Рг уравнение (3) удовлетворяется при отрицательной мощности Рс . Соответственно уравнение (4) удовлетворяется при положительном значении мощности на промежуточной частоте. Это означает, что мощность на ПЧ "потребляется" варикапом параметрического преобразователя, модулируемым сигналом накачки, а на суммирующее устройство посту-
пает мощность на частоте Юс входного сигнала, усиленного в Юг/Юпч раз. Максимальное усиление достигается при соответствующих фазовых соотношениях между сигналами на частотах Юг и Юпч , достигаемых регулировкой фазовращателя 15. Выбор частот в соотношении Юс > Юг обеспечивает:
а) устойчивость функционирования устройства;
б) высокую чувствительность, так как вносится минимальный уровень шума со стороны параметрического преобразователя (малое "зашумливание" сигнала);
в) работоспособность устройства при паразитных изменениях (в пределах полосы пропускания параметрического преобразователя), так как уходы частоты Юг повлекут за собой такие же уходы Юпч , и в результате повышающего преобразования в параметрическом устройстве значение частоты Юс останется неизменным. При ином соотношении Юс и Юг (Юс < Юг ) п.п "а" - "в" не выполняются.
Суммирующее устройство может быть реализовано на гибридных кольцах с соответствующей фазовой балансировкой плеч, на квадратурных или щелевых мостах.
Так как предельная чувствительность рассмотренного устройства лишь на несколько децибел ниже чувствительности супергетеродинных преобразователей с внешним гетеродином (это свойство всех генерирующих (авто-динных) преобразователей), а мощность, генерируемая полупроводниковой диодной структурой (диодом Ганна), составляет десятки и сотни милливатт, то при взаимодействии в параметрическом преобразователе входного и генерируемого сигналов получаются значительные коэффициенты усиления. Следовательно, может существенно повыситься эффективность генерирующих преобразователей, в традиционных построениях которых подавляющая часть генерируемой МЭП-диодами мощности рассеивается в ферритовых вентилях, включаемых в запорном направлении, что создает дополнительные шумы в канале сигнала. Такая схема генерирующего преобразователя выгодно отличается и от режима работы с использованием для последующего усиления многокаскадных усилителей ПЧ.
Разработанный усилитель для компенсации потерь в магистральном маркерно-связном волноводе обладает следующими свойствами:
1. Добавка СВЧ сигнала на входе устройства увеличивает линейный участок коэффициента передачи при сохранении предельной чувствительности (см. рис.3, где приведена передаточная характеристика данного устройства, кривая 1; кривая 2 - для канонического автодинного
Юг Юпч
режима; --- = 9440 МГц, -Л1 = 60 МГц); 2 п 2 п
2. При использовании информационного сигнала на промежуточной частоте отпадает необходимость в многокаскадном усилителе ПЧ и сокращаются энергозатраты, связанные с питанием этих усилителей;
3. Уменьшаются тепловые шумы, обусловленные нагревом элементов СВЧ тракта избыточной СВЧ мощностью;
4. Суммарный коэффициент шума также снижается, так как коэффициент шума у параметрических преобразователей существенно меньше, чем у усилителей ПЧ.
PAДIOEЛEKTPOHIKA
Рисунок 3 - Передаточная характеристика усилителя
Из передаточной характеристики также видно, что в данном усилителе увеличивается на 5-6 дБ коэффициент передачи и повышаются линейность передаточной характеристики на участке малых уровней входных сигналов и предельная чувствительность устройства по сравнению с автодинным преобразователем, построенным по канонической схеме [3] (кривая 2). Столь существенное улучшение показателей разработанного усилителя как компенсатора потерь СВЧ энергии в магистральном маркерно-связном волноводе с учетом высокой энергопрочности позволяет считать, что указанный усилитель может быть рассмотрен в качестве рабочего варианта при выборе окончательного варианта трактового усилителя.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Костылев С. А., Гончаров В. В., Соколовский И. И., Челя-дин А. В. Полупроводники с объемной отрицательной проводимостью в СВЧ-полях. Киев: Наукова думка, 1987.141 с.
2. Афромеев В.И., Привалов В.Н., Яшин А.А. Согласующие устройства гибридных и полупроводниковых интегральных СВЧ-схем. - Киев: Наукова думка, 1989.- 192 с.
3. Lazarus M.I., Bullimore E.D., Novak S. A sensitive millimeter wave self-mixer and a load varian detector // Proc.IEEE.-1971.- 59, №5-P.812-813
УДК 621.314.6
BÈ3HA4EHHfl 4ACTOTÈ KOMVTAÖN IMÏVËbCHOrO ÏEPETBOPNBA4A
В.Д.Флора
Виходячи з виразгв для розмахгв пульсацш струмгв та напруг у ргзних вузлах найбгльш вживаних у практиц схем iмпульсних перетворювач1в, визначено cnoci6 розрахунку необхгдноЧ частоти комутацп.
Исходя из выражений для размахов пульсаций токов и напряжений в различных узлах наиболее употребительных в практике импульсных преобразователей, определен метод расчета необходимой частоты коммутации.
Proceeding from expressions for sweeps of currents and voltage pulsations in various units which are the most common in practice of pulse converters, the method of account of necessary commutation frequency is determined.
Проектуючи 1мпульсний перетворювач, конструктор BHpimye низку питань перед вибором або розрахунком елеменпв як силово'1' схеми, так й системи керування. Перед розрахунком електромагштних процеив конструктор повинен вибрати комутатор (тиристорний, або тран-зисторний, багатофазний чи однофазний, однополярний або двополярний, з широтним, частотним або широтно-частотним регулюванням i т.д.).
Kpiм того йому необхщно визначити частоту комутацп з урахуванням потpiбного дiапазонy регулювання напру-ги. Визначаючи частоту комутацп, можливо виходити з допустимо' пульсацп певних величин для конкретного
перетворювача.
Для однополярного перетворювача розмах пульсацп cтpумiв А/н навантаження [1]:
Aj = Ua (1 - a )
н = lk / ,
(i)
де U - напруга джерела; a = TRR/T - вщносна трива-лшть часу TB¥i накопичення енерги стосовно перюду комутацп T; / = 1/T - частота комутацп; Ья - шдуктив-шсть ланцюга навантаження.
Для двополярного iмпульcного перетворювача з жив-ленням вiд одного джерела [Т]:
AJK =
Т Ua1( 1 - a1 )
¿нт :
(Т)
де ai = Ti/T - вщносна тривалшть Ti позитивного
iмпульcу напруги стосовно перюду комутацп T.
Для тдвищуючого напругу перетворювача розмах пульсацш струму накопичувального дроселя [З]:
46
ISSN 1607-ЗТ74 иРад1оелектрон1ка. 1нформатика. Управл1ння" № Т, Т001
