Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы. Постановка задачи 9
Глава 2. Спектр колебаний в доплеровских автодинах 28
2.1. Анализ процессов в доплеровском авто-дине с помощью уравнения Адлера 29
2.2. Анализ статического и квазистатического режимов 40
2.3. Экспериментальное исследование и машинное моделирование автодина при сильном отраженном сигнале 50
2.4. Выводы 53
Глава 3. Синхронизация в системе с регенерацией по цепи смещения 57
3.1. Аналитическое исследование автономных и синхронизированных генераторов методом фазовой плоскости 57
3.2. Качественный анализ синхронизированного генератора с регенерацией по цепи смещения 63
3.3. Исследование на ЭВМ синхронизированного генератора с регенерацией по цепи смещения 70
3.4. Экспериментальные исследования зависимости мощности синхронизации от регенерации по цепи смещения 72
3.5. Выводы 75
Глава 4. Сравнительные характеристики доплеровских систем ближнего действия 79
4.1. Сопоставление характеристик доплеровских систем ближнего действия . 81
4.2. Измерение параметров фликкерного шума смесительных и варакторных диодов . 86
4.3. Расчет коэффициента шума смесителя . 94
4.4. Выводы 100
Заключение 102
Литература 106
- Экспериментальное исследование и машинное моделирование автодина при сильном отраженном сигнале
- Качественный анализ синхронизированного генератора с регенерацией по цепи смещения
- Экспериментальные исследования зависимости мощности синхронизации от регенерации по цепи смещения
- Измерение параметров фликкерного шума смесительных и варакторных диодов
Введение к работе
*
Диссертационная работа посвящена исследованию характеристик доплеровских автодинных систем на полупроводниковых сверхвысокочастотных (СВЧ) диодах. В настоящее время имеется значительное количество работ, посвященных исследованию характеристик доплеровских автодинных систем, однако эта задача не решена полностью. Рассматриваемые системы являются регенеративными, степень регенерации которых определяется не только нагрузкой по высокой частоте, но и параметрами цепи смещения. При больших отраженных сигналах поведение автодина определяется явлениями синхронизации, которые имеют особенности в данной системе с регенерацией по цепи смещения. В литературе нет работ, учитывающих влияние регенерации по цепи смещения на характеристики синхронизации генераторов на приборах с отрицательным сопротивлением. Известны доплеровские системы ближней радиолокации, построенные по различной структурной схеме. Однако в литературе отсутствуют работы по измерению фликкерного шума диодов и его влиянию на флуктуационные характеристики автодинов, что не позволяет провести исчерпывающий анализ различных доплеровских систем. Задача исследования включает в себя:
определение спектра колебаний в доплеровских автодинах;
исследование характеристик синхронизации в системах с регенерацией по цепи смещения;
измерение фшиккерного шума полупроводниковых диодов, расчет коэффициента шума смесителя с учетом фликкерно-го шума, анализ характеристик доплеровских систем ближнего
действия.
Основные научные результаты работы:
Определен спектр излучаемого и отраженного сигналов доплеровской автодинной системы с учетом компонент второго порядка малости. Рассмотрено изменение спектра при увеличении отраженного сигнала и с появлением синхронизации.
Показано влияние параметров цепи смещения на характеристики синхронизации генераторов на приборах с отрицательным динамическим сопротивлением.
На основе измерения фпиккерного шума смесительных диодов рассчитан потенциал доплеровских автодинных систем и ряда других систем ближней радиолокации и приведены их сравнительные характеристики.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений.
Б главе I проведен аналитический обзор литературных данных по доплеровским автодинам на СВЧ полупроводниковых элементах и их характеристикам. На основании опубликованных результатов теоретического и экспериментального исследования определяются нерешенные в этой области проблемы, представляющие научный и практический интерес, формулируются задачи исследования.
В главе 2 рассматривается изменение спектра колебаний доплеровского автодина в зависимости от скорости движения отражающего объекта, коэффициента отражения и расстояния до этого объекта. Ряд теоретических результатов подтвержден экспериментально при исследовании клистронного автодина.
Б главе 3 изложено экспериментальное исследование
и расчет на ЭЦВМ синхронизации генераторов на туннельном диоде и на диоде Ганна при регенерации по цепи смещения. Показано уменьшение мощности сигнала синхронизации с ростом регенерации по цепи смещения.
Экспериментальное исследование и машинное моделирование автодина при сильном отраженном сигнале
При наличии отраженного сигнала автодин представляет автоколебательную систему, работающую на комплексную нагрузку. Активная и реактивная составляющие нагрузки меняются во времени с доплеровской частотой. Детектированный НЧ сигнал после соответствующей обработки позволяет выработать рабочие команды системы. В ряде случаев автодин и отражатель неподвижны; относительная скорость движения равна нулю; Z.& от времени не зависит. Тем не менее, 2 зависит от расстояния до отражателя, и при его изменении Z меняется. При этом меняются амплитуда и частота колебаний генератора (эффект длинной линии) [l4]. Если отражатель неподвижен, отраженный сигнал точно равен по частоте излученному сигналу, т. е. находится в полосе синхронизации генератора. На практике такие случаи встречаются в измерительной технике.
Исследование автодинов при слабых сигналах проводится методом укороченных уравнений и методом систем с переменными параметрами. Проведем сопоставление этих методов.
Совкупность автодина и отражающей цели представим эквивалентной схемой рис. 1.2. При Г Ф 0 и изменении расстояния / изменяется входное сопротивление генератора и в соответствии с эффектом длинной линии меняются параметры колебаний генератора. Метод укороченных уравнений оправдан для рассмотрения стационарного и квазистационарного (при очень медленном изменении і , когда частота отраженного сигнала находится внутри полосы синхронизации) режимов при Г« I. Однако, таким способом неудобно рассматривать шумы, т. к. заданы спектры источников шума и шумы на выходе удобно искать тоже в спектральной форде с учетом корреляционных соотношений.
При быстром изменении / отраженный сигнал находится вне полосы синхронизации генератора. Использование системы с переменными параметрами предполагает знание стационарного режима (при Г = 0) и дифференциальных параметров схемы. Этим методом можно легко получить преобразование малых колебаний и в результате - амплитудно-частотно модулированное колебание автодина, а также преобразование шумов на его выходе.
Подробно поведение автодина при сильных отраженных сигналах (при приближении к отражающему объекту) описано в [18]. Там предложена математическая модель автодина на туннельном диоде и на ее основе проведено исследование динамических характеристик в диапазоне отраженных мощностей Pomp/Рген =-(50 ... 10) дБ. Видны большие различия в работе автодина при сильном и слабом отраженном сигналах. При сильном отраженном сигнале с частотой ffH - / + fA (частота собственных колебаний автодина / стремится к fgv , ffH возрастает при /А 0) fgH приближается к верхней границе полосы синхронизации. При выходе за ее пределы синхронизация больше не наблюдается, частота / еще некоторое время увеличивается, а потом уменьшается, приближаясь к собственной частоте генерации автодина. Происходит хаотическое колебательное движение частоты генерации около границы эквивалентной полосы синхронизации, скорость изменения которого определяется постоянными времени системы [l9]. В [20] этого эффекта не обнаружено. Это можно объяснить тем, что сигнал находится вне полосы синхронизации.
В [21] представлены результаты феноменологического исследования потери устойчивости колебаний автодина и появления бифуркационных релаксаций, приводящих к развитию сто-хастичности. Анализ проведен численными методами на базе модельного дифференциального уравнения где J(V) - нелинейная функция; К - коэффициент отражения сигнала от движущегося объекта;
Уравнение исследуется при f(/) - Q/ . Управляющим параметром является К . При Л = О, меняя коэффициент К , наблюдается переход от нестохастического поведения к стохастическому в последовательности предельный цикл - двумерный тор, соответствующий квазипериодическому движению с некратными частотами - странный аттрактор. При О. о стохастич-ность возникает в последовательности двумерный тор - трехмерный тор - странный аттрактор. Предположение о медленности изменения амплитуды не годится при работе автодина в стохастическом режиме странного аттрактора.
В литературе имеется ряд работ по автодинам на полупроводниковых приборах. Системам на диодах Ганна посвящены статьи [22 - 24] , на туннельных диодах [25, 2б] , на лавинно-пролетных диодах [8, 10, 27 - Зі], на транзисторах [32 -35]. Мощность излучения различных автодинов находится в пределах от десятков микроватт (туннельные диоды) до единиц и сотен милливатт (транзисторы и лавинно-пролетные диоды). Коэффициент полезного действия равен (I ... 10) %,
Во многих работах исследование автодинов проводилось с помощью укороченных уравнений [її, 20, 24, 27, 32, 33, Зб]. При теоретическом исследовании использовались как модели с переменной нагрузкой, так и с проводимостью нагрузки, независящей от времени. В частности, в [25] с помощью последнего метода анализируется режим работы одноконтурного генератора на туннельном диоде, используемого в автодине. Получен и исследован ход диаграмм срыва и смещения генератора (рис. 2 в [25]), которые имеют место при изменении рабочей точки и фиксированной проводимости нагрузки. Приведен пример численного расчета автодина. Отмечается хорошее совпадение (вплоть до абсолютных значений автодинных сигналов) между теоретически рассчитанными и экспериментально измеренными параметрами.
Качественный анализ синхронизированного генератора с регенерацией по цепи смещения
В [48 - 50] предлагается применение автодинных СВЧ генераторов с полигармонической (в частности, с бигармони-ческой) генерацией. Полигармонические генераторы, обладая высоким фактором стабилизации частоты, имеют лучший спектральный состав автодинного сигнала. В полигармонических генераторах реализованы лучшие флуктуационные характеристики и большая выходная мощность: в результате построенные на их основе автодины характеризуются более высокой чувствительностью.
Ряд электровакуумных приборов (в частности, приборы пролетного типа - клистроны, лампы бегущей волны (ЛЕВ), магнетроны)обладают в определенных режимах работы естественным отрицательным сопротивлением. На их основе построены автодинные системы, исследованию которых посвящена обширная литература. В [5IJ описано устройство для измерения малых перемещений (вибраций, биений), построенное на клистроне. Экспериментально измерена чувствительность прибора 30 мкА/мм. Выходным сигналом служило изменение постоянного тока в цепи питания клистрона. В [52] рассмотрен прибор для наблюдения электронного парамагнитного резонанса, построенный на ЛЕВ. По сравнению с клистроном лампа бегущей волны позволяет получить высокую добротность колебательного контура, имеет меньший уровень амплитудных флуктуации. В [53І предложена установка для наблюдения ядерного квадру-польного резонанса, построенная по двухтактной автодинной схеме на ламповых триодах. Автодины на магнетронах [54] характеризуются увеличенной излучаемой мощностью и повышенной стабильностью.
В последние годы, благодаря развитию когерентных источников излучения в оптическом диапазоне, возрос интерес к построенным на их основе автодинным системам. Очень перспективными приборами в этом отношении являются инжекционные полупроводниковые лазеры (ИПЛ), характеризующиеся относительно высоким коэффициентом полезного действия. Б [55І рассмотрен прием автодинного сигнала, излученного ШШ. В [бб] на основе скоростных уравнений проведено теоретическое изучение автодинных и модуляционных характеристик ИПЛ с учетом вклада спонтанного излучения. Предложена методика расчета максимально достижимого коэффициента усиления лазеров по пику их модуляционной способности. Работы [57 - 60] посвящены экспериментальному изучению автодинного эффекта в инжекпион-ных полупроводниковых лазерах. В [бі] теоретически и экспериментально исследованы автодины на ИПЛ. Оценена величина автодинного сигнала при внешнем детектировании и при автодетектировании.
В работе [62] рассматривается автодинный эффект в газовых лазерах. На примере We-Не лазера в режиме генерации определены по автодинному сигналу коэффициент усиления и добротность резонатора. В [63] рассмотрен и проанализирован автодинный сигнал в случаях элементарной и распределенной целей. Указывается на значительное расширение спектра автодинного сигнала по сравнению со спектром воздействия при протяжном отражающем объекте. В работе не показано наличие компонент с частотами сОг-&ь) и д и) в спектре напряжения высокой частоты автодинной системы. Проведенный анализ и обзор опубликованных работ позволил сформулировать ряд нерешенных задач, представляющих научный и практический интерес: 1. Необходимо в возможно более общем виде найти спектры излученного и отраженного сигналов автодина и проанализировать их зависимость от скорости движения отражателя, коэффициента отражения и расстояния до цели и проследить переход к явлениям синхронизации с ростом отраженного сигнала. 2. Б литературе не имеется данных о влиянии параметров цепи смещения на величину синхронизирующего сигнала. Б генераторах на приборах с отрицательным сопротивлением (лавинно-пролетные диоды, диоды Ганна) наблюдается такое влияние за счет регенерации по цепи смещения. 3. Б литературе нет данных о фликкерных шумах отечественных смесительных диодов. Необходимо провести измерения и на их основе рассчитать флуктуационные характеристики доплеровских систем ближнего действия. 4. Необходимо провести аналитическое сопоставление доплеровских систем ближнего действия, построенных по различным структурным схемам.
Экспериментальные исследования зависимости мощности синхронизации от регенерации по цепи смещения
Результаты анализа статического случая оказываются тесно связанными с результатами анализа динамического случая. Если отражатель приближается к генератору со скоростью Х , это соответствует сдвигу отраженного сигнала на частоту Доплера ыд 0. При сильных отраженных сигналах в результате синхронизации частота генерации будет двигаться вслед за частотой отраженного синхронизирующего сигнала (л) + + oJA до границы полосы синхронизации, после чего синхронизация будет срываться и частота генерации возвращаться к частоте, близкой к ыс .
Теперь рассмотрим влияние четырехполюсника потерь і . При наличии потерь і I и тогда даже при большом значении Г коэффициент отражения Г будет меньше Г . При і - 0 при любом Г коэффициент отражения /Ї будет равен нулю. Отраженная волна будет отсутствовать и биений в системе не будет.
При конечном і за счет Ґ Г в системе возможны биения, а не прерывистая генерация даже при больших значениях Г . Этим, видимо, можно объяснить отсутствие явлений прерывистой генерации и синхронизации в ряде экспериментов с автодинами при сильных отраженных сигналах. За счет потерь эти сигналы ослабляются и оказываются недостаточными для обеспечения прерывистой генерации и синхронизации.
В "квазистатическом" случае, как уже отмечалось в главе I, отраженный сигнал на входе автодина можно учесть введением дополнительной ЭДС в дифференциальное уравнение входной цепи. Из (1.8) получаем
В спектре имеются компонента с доплеровскои частотой и пропорциональной Г амплитудой и компонента с удвоенной доплеровскои частотой и пропорциональной Г амплитудой. Изменение среднего значения генерируемой частоты отрицательно и пропорционально . Это приближенный результат, соответствующий данным, которые были получены из уравнения Адлера. При изменении направления движения отражателя меняется знак составляющей с частотой сОА , а, следовательно, меняется и форма изменения частоты от времени.
При воздействии на автодин сильного сигнала, отраженного от движущегося с большой скоростью объекта, спектр генерируемых колебаний расширяется, дошіеровская частота перестает играть определяющую роль и анализ процессов в системе проводится проще на временном языке методом переменных состояния, не налагающим ограничений на форму колебаний в системе в отличие от спектрального метода. Для описания про - 50 цессов при этом оказываются полезными представления теории синхронизации [3]: частота колебаний генератора "подтягивается" к частоте колебаний отраженного сигнала Ц + wA и из-за этого "двигается" к границе полосы синхронизации. С ростом частоты колебаний генератора « увеличивается частота отраженного сигнала Щ + WA . При достижении границы полосы синхронизации синхронизация срывается и частота колебаний генератора двигается назад к частоте автономных колебаний, затем переходный процесс синхронизации повторяется. Как будет показано подробно в главе 3, мощность синхронизации зависит от регенерации по цепи смещения. Это явление наблюдается в автогенераторах на приборах с естественным отрицательным динамическим сопротивлением (туннельные диоды, диоды Ганна). Поэтому срыв нормального рабочего режима доплеровских автодинов - режима биений легче происходит в автодинах с большим коэффициентом передачи, т. е. в автодинах с регенерацией по цепи смещения.
Измерение параметров фликкерного шума смесительных и варакторных диодов
В целом можно сделать следующий вывод: излучаемая мощность в схеме рис. 4.16 на 35 % больше, чем в схеме рис. 4.1а. Если преобразователь имеет потери преобразования L„p 4 дБ, то -схема рис. 4.16 имеет дополнительные потери, равные 8,3 дБ + /-и/9 , т. е. не меньше II дБ с учетом увеличения излучаемой мощности на 1,3 дБ, что является ее недостатком. Большая критичность коэффициентов передачи / и /( к изменению сопротивления смещения fieM также является недостатком этой схемы по сравнению со схемой рис. 4.1а. Для сопоставления флуктуационных характеристик и потенциалов рассматриваемых систем необходимо иметь данные о коэффициенте шума диодного смесителя с учетом фликкерных шумов, а для этого было нужно провести измерения фликкерного шума типичных смесительных диодов.
Все полупроводниковые приборы характеризуются фликкерным шумом, спектральная плотность которого изменяется обратно пропорционально частоте. Из-за модуляционных эффектов этот шум существенно влияет на спектральные характеристики автогенераторов [40], усилителей мощности [83], умножителей частоты, смесителей и автодинов [з].
В настоящее время нет единой общепринятой теоретической модели фликкерного шума полупроводниковых приборов. Его возникновение в р-п -переходах объясняют многими физическими механизмами. Флуктуации тока в полупроводнике можно объяснить флуктуациями плотности носителей заряда вследствие захвата носителей ловушками, расположенными на уровне Ферми. В [84] предложена модель фликкерного шума на основе диффузии примесей и дефектов в полупроводнике. В [85] фликкерный шум объясняется флуктуациями сопротивления, не связанными с протекающим током. Там-же утверждается, что распределение амплитуд фликкер-шума подчиняется закону Гаусса, а его дисперсия не зависит от времени, т. е. этот шум является стационарным. В [8б] на основе измерения спектральной плотности квадрата шума сделан вывод об его стационарности в низкочастотном диапазоне.
Независимо от конкретной физической модели, энергетический спектр Sfcj) фиіуктуапионного тока через полупроводниковый диод или диод с барьером Шотки может быть аппроксимирован выражением [З, 40, 83, 87, 88] где: К - постоянная, характеризующая интенсивность флуктуации тока; of - показатель, определяющий характер зависимости S [со) от постоянного среднего значения тока через диод; & - показатель, отражающий изменение спектра шума с частотой CJ . Для расчета энергетических спектров флуктуации колебаний в нелинейных системах, содержащих полупроводниковые приборы, необходимо знать постоянные К , , /3 , определяющие данный прибор.
В литературе опубликовано относительно мало данных о фликкерных шумах как транзисторов [88 - 90], так и диодов [91 - 97]. В [91] представлены данные измерения уровня фшик-керных шумов серийно выпускаемых за рубежом кремниевых диодов с барьером Шотки. Автор приводит график зависимости спектральной плотности шумового тока от частоты. По этому графику можно рассчитать параметры К , , в . Для диода HP 5082-2305 находим
Измерение параметров широко используемых арсенидгаллиевых смесительных диодов с барьером Шотки 3AIIQA и 3AIIIA и кремниевых умножительных диодов 2А605А, 2А605Б и 2А609А проводилось на установке, структурная схема которой показана на рис. 4.4. На рис. 4.5 показана принципиальная схема малошумящего усилителя на биполярных транзисторах КТ399А, разработанного Е. Н. Анисимовым и А. Н. Синянским. Усилитель имеет коэффициент усиления по напряжению Ки = = 1780 ( « 65 дБ) в полосе 16 ... 20000 Гц. Приведенное ко входу шумовое ЭДН в полосе измерения /i/ = 6 Гц при коротком замыкании равно ё Г = 2,2.10 В.Гц , а в режиме холост-ного хода по входу V = 33.10 В.Гц . Входное сопротивление усилителя Re - 17 кОм. Дифференциальное сопротивление перехода (RfutjL на рис. 4.4), к которому подключен фликкерный генератор тока, определяется формулой R = - fr/j и при токах J = 160 мкА ... 4,5 мА. (при которых проводились измерения) Rf« f = 170 ... 6 0м. Сопротивление RfU много меньше R&, , поэтому Rg, в расчетах не учитывается. Входной шумовой ток усилителя
создает на R напряжение меньше 0,625.10 В, а тепловые шумы сопротивления R{ ( Rt І кОм) создают на Routf напряжение меньше 0,3.10 В; поэтому этими шумами можно пренебречь. Пренебрегаем также сопротивлением базы диода Rs , поскольку оно много меньше Rg, и R{ . Средний квадрат шумового напряжения на входе усилителя определяется выражением iji R u± + Є и, следовательно, из результатов измерений надо вычесть вклад шумов усилителя в .