Острейковскій А. В.

ПКФ «Карнеол» вул. Д. Бєдного, 5, Дніпропетровськ 49000, Україна Тел.: (056) 3705352; e-mail: laspy@a-teleport.com

Анотація Отримано результати експериментального дослідження автодінного СВЧ системи 5-мм діапазону. Підтверджено практична можливість підвищення її чутливості в даному діапазоні шляхом використання режиму автомодуляціі.

I. Вступ

Автодінного СВЧ генератори широко використовуються в техніці вимірювань [1]. Одним з найбільш важливих застосувань автодінного є його використання в системах визначення параметрів руху об’єктів. В цьому випадку найважливішою характеристикою СВЧ автодінного є його максимальний радіус дії, який визначається радіочастотної почуттів іте л ь-ністю [1]. Справжня робота присвячена подальшому дослідженню можливостей підвищення радіочастотної чутливості СВЧ автодінного систем шляхом використання НЧ автомодуляціі.

II. Основна частина

Для проведення експериментів була використана система на основі серійного СВЧ генератора «Тигель» на діоді Ганна (ДГ), що випускається для побудови автодінного датчиків. Застосовувався генератор мав заводську настройку на частоту 62.5 ГГц. За основу була взята схема, розроблена раніше [2] для см-діапазону з метою отримання найвищої автодінного чувст-вітельность генератора, що працює в присутності сильних заважають віддзеркалень.

Структурна схема експериментальної установки зображена на рис. 1. Позначено: GСВЧгенератор; А рупорна антена; VD1 детекторна секція; А1 підсилювач з коефіцієнтом передачі К1 = 80; LCR НЧ коливальний контур (резонансна частота 5 кГц); А2суммирующий підсилювач з потужним виходом і коефіцієнтом передачі К2 = 1; А3інтегруючий підсилювач з коефіцієнтом передачі К3 і постійної часу х3 ; VD2лінійний детектор НЧ сигналу з інтегратором (наскрізний коефіцієнт передачі дорівнює 1, постійна часу дорівнює х3); Е1 і Е2 виходи автодинного сигналу.

Опорна напруга U0 (Вхід 1 підсилювача А2) Формує напруга зсуву ДГ; якщо на вхід 2 подається змінна НЧ напруга, то це призводить до амплітудно-частотної модуляції НВЧ коливань генератора G.

При наявності СВЧ генерації ДГ ланцюг “G -> VD1 – »А1 LCR -> • А2 G “є схемою з замкнутою петлею зворотного зв’язку (ОС) по напрузі СВЧ генерації, що його виділяє детектором VD-,, причому петлевий коефіцієнт передачі визначається модуляційної характерис-тикой генератора G, коефіцієнтом передачі ланцюга 11А1 -> • LCR – »• А2“І характером залежності

Рис. 2. Автодінного відгук на об’єкт, що рухається: 1 з виходу Е1; 2 з виходу Е2

Fig. 2. Autodyne response to a moving object:

1 at output E1; 2 at output E2

З розгляду графіків слід: 1) сигнал з виходу Е1 (На відміну від сигналу з виходу Е2) Більш зашумлен, 2) величина автодинного відгуку на виході Е2 (З автомодуляціей) має такий же рівень, як

і на виході Е1 підсилювача А3 (Без автомодуляціі), але лише при К3 = 1000, що говорить підвищення радіочастотної чутливості авто-дина в стільки ж разів при переведенні його в режим автомодуляціі. Очевидно ще одна перевага схеми з автомодуляціей: перетворення «вниз» відбувається до частоти Q, а не до нульової частоти, що використовується у відомих схемах [1]. Тому при однаковому рівні корисного сигналу на виходах Е1 і Е2 рівень шумів виявляється помітно нижче на виході Е2.

Додаткові вимірювання показали, що в системі з автомодуляціей автодінного відгук у міру збільшення відстані R спадає значно слабкіше, а наявність сильних відбитих сигналів практично не впливає на чутливість системи.

I. Висновок

У роботі показано переваги автомодулірованного режиму СВЧ автодінного на ДГ в порівнянні зі звичайно використовуваним режимом безперервної генерації. Розглянута схема є ідеальним рішенням для побудови автодінного системи з оптимізацією режиму на основі цифрового сигнального процесора.

II. Список літератури

[1] Коган І. М., ТамарчакД. Я., Хотунцев Ю. П. автодінного.

– В кн. “Радіотехніка” (Підсумки науки і техніки ВІНІТІ). М.: ВІНІТІ, 1984. Т. 33.

[2] А.с. СРСР № 1773187 / автодінного система. Острейковскій А. В. НСЗ У 9/12. Пріоритет 18.02.1990 р.

[3] Острейковскій А. В. Низькочастотна нестійкість генераторів на діодах Ганна / / Радіотехніка, 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.

Анотація Досліджено можливості та способи досягнення амплітудної стабільності генераторів Ганна Ка діапазону на рівні ДР / Р = 5.1 (Г4-1 (Г \ наводяться експериментальні результати дослідження зразків генераторів Ганна з підвищеною амплітудної стабільністю для цілей швидкої калібрування радіоастрономічного приймача.

I. Вступ

Для внутрішньої калібрування радіоастрономічних приймачів традиційно використовуються шумові ЛПД і ІМПАТ діоди, проте вони не мають достатньої спектральною щільністю потужності шуму (СПМШ) для швидкої зовнішньої калібрування приймачів. Зовнішня калібрування особливо актуальна для прийомних фокальних решіток, число елементів яких може досягати сотні і тисячі, як у випадку радіотелескопа РАТАН-600 [1]. В [2, 3] розглянуто вимоги до стабільності коефіцієнта посилення радіоастрономічного приймача і до амплітудної стабільності генераторів Ганна для його швидкої калібрування: ДР / Р = 5 * 10 ~4-10^1 на частотах аналізу менше 100 Гц. Наведені в літературі дані амплітудної стабільності генераторів Ганна на рівні 0.8-1.0 дБ / В і 0.03-0.05 дБ / град [3] гірше необхідних. В даній роботі розглядаються шляхи підвищення амплітудної стабільності генераторів Ганна і наводяться результати дослідження зразків генераторів Ганна з підвищеною амплітудної стабільністю.

II. Основна частина

Вивчення енергетичних спектрів низькочастотних флуктуацій коливань Sa і спектрів флуктуацій постійних складових струмів діодів Ганна Si / io2 на частотах аналізу 20 Гц 20 кГц показує їх фліккерную природу і домінування вкладу шумів концентрації носіїв 6nt прикатодной області зародження доменів [4]. СПМШ амплітудного шуму генератора Ганна на діоді прямого монтажу з малим споживаним струмом в області максимального ККД, де фліккерний шум мінімальний [4], становить -140 дБ / Гц на частоті 100 Гц (рис.1). Відповідна короткочасна амплітудна нестабільність розрахована методом КастроЦіолковского з використанням інтегрального перетворення Катлера-Сирл [5]. Її внесок в АР / Р менш 210 ‘6 на інтервалах часу аналізу 0.01 с і більше (рис.1) можна не враховувати.

На амплітудну нестабільність генератора Ганна на времні 0.01 с і більше найбільш сильно впливають інші фактори: якість контактів і кріплення діода, тепловий режим, підбір режиму роботи діода з низькою крутизною залежності потужності

ГЕНЕРАТОРИ ГАННА Ка ДІАПАЗОНУ З поліпшенням Амплітудно Стабільність для ШВИДКОЇ КАЛІБРУВАННЯ Радіоастрономічний ПРИЙМАЧА

Уман С. Д., Добров В. А. ЗАТ “Світлана-ЕП”, пр.Енгельса 27,194156, Санкт-Петербург, Росія e-mail: v-dobrov@mail.ru Хайкін В. Б. Спеціальна астрофізична обсерваторія РАН , Політехнічна 21, офіс 107, 195251, Санкт-Петербург,, Росія e-mail: vkh @ bro wn.nord.nw. ru

Puc. 1. СПМШ амплітудного шуму генератора Ганна (угорі) і відповідне короткочасна нестабільність (другий зверху). Залежності потужності генератора Ганна від температури (другий знизу) і від напруги живлення (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. Потужностні огинають калібрувальних імпульсів генератора Ганна з 18.04.03 по 28.04.03 (вгорі) і за останній день вимірів (2-й зверху), гістограми температури корпусу генератора за 11 днів (А) і за останній день вимірів (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)

від температури і напруги живлення, ступінь придушення низькочастотних релаксаційних коливань. Деякі з перерахованих умов взаємно суперечливі. Так низька крутизна залежності потужності від напруги досягається в області максимуму ККД, а низька крутизна залежності потужності від температури досягається при більш низьких ККД і досить високою крутизні по напрузі. Для підвищення амплітудної стабільності генератора Ганна і полегшення режиму термостатування мінімізують споживання і тепловий опір лінії корпус генератора структура діода.

З урахуванням і при оптимізації перерахованих факторів можна досягти AP / Pt: = 10_2H-10_3/ Rpafl і AP / Pv = 10_4/ MB, що при забезпеченні точності термостатування генераторного діода на рівні 0.01-

0. 1 град і стабільності напруги живлення краще 1 mV дозволяє досягти необхідної довгострокової стабільності. Вирішення цього завдання для генератора Ганна зазвичай ускладнюється значним тепловиденіем і споживанням і можливо лише при використанні схем термостатування на мікроконтролері з ШІМ, високоточних позисторов і термо-елементів Пельтьє для вимірювання та підтримки температури діода, а також малошумящих високостабільних підсилювачів з внутрішньої термокомпенсацією в блоці живлення генератора.

Приклади залежності потужності від температури і напруги живлення генератора Ганна на 28 ГГц, побудованого з урахуванням факторів, що підвищують амплітудну стабільність наведені на рис 1. Деякі зразки генераторів Ганна Ка діапазону демонстрували AP / Pt:=5*10′3/ Град і AP / Pv=10“4/ MB і менш при кімнатній температурі. Виправдалися зусилля витрачені на досягнення мінімальної споживаної потужності і тепловиділення генератора Ганна.

Зразки генераторів Ганна з поліпшеною амплітудної стабільністю Ка діапазону (28-30 ГГц) були досліджені в режимі швидкої калібрування приймача повної потужності діапазону 26-30 ГГц [6]. Формування калібрувальних СВЧ імпульсів тривалістю 0.5 мс з періодом 10 мс здійснювалося в блоці зовнішньої калібрування за допомогою швидкодіючого 3-х каскадного PIN-діодного модулятора з низьким власним фліккер-шумом і високою розв’язкою у відкритому і закритому станах (більше 65 дБ) [3]. На рис.2 наведені потужностні огинають 1.5-2 хвилинних записів (від 1 до 10 записів на день) калібрувальних імпульсів генератора Ганна протягом 11 днів вимірювань при кімнатній температурі без термостатування. З рис.2 видно, що нестабільність генератора Ганна не перевищує: 10_3 (На рівні шуму дискретизації 12 розрядного АЦП) протягом 2 хв, 5 * 10-3 протягом 2:00 і 7 * 10-3 протягом дня, що досягнуто при зміні температури корпусу генератора в межах +0.1 град, + -0.5 град і + -0.7 град відповідно (рис.2 внизу).

Температуру структури діода tcfl можна визначити знаючи температуру корпусу генератора кг як:

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

де Рп і АРП споживана потужність генератора і її зміну, Rt-тепловий опір, Rt = Rt1 + Rt2, Rt1 тепловий опір від корпусу до держателя діода, Rt2 тепловий опір від держателя діода до структури діода. За нашими оцінками, для даного зразка ДРП = (1-3) * 10-2 Вт за 2:00, Rt = 50-60 ° / Вт, а зміна температури корпусу генератора на 0.5 ° еквівалентно зміні температури структури діода на 1 ° -2 ° і, отже, нестабільність генератора, приведена до температури структури діода, 1.3-2.5 * 10-3/град. Таким чином, необхідна амплітудна стабільність генератора Ганна може бути забезпечена термостатом, компенсуючим APn * Rt з точністю 0.1 град на структурі діода.

I. Висновок

Проведені дослідження показують, що амплітудна стабільність генератора Ганна Ка діапазону може задовольняти вимогам калібрування радіоастрономічного приймача ДР / Р = 5 * 10 ^-Ю “4. Зразки генераторів Ганна з поліпшеною амплітудної стабільністю показали АР / Рв=10_4/ МВ і AP / Pt° = (1.3-2.5) * 10 “/ град, що дозволяє досягти необхідної амплітудної стабільності при термостатування структури діода з точністю 0.1 град.

II. Список літератури

[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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.