Улучшение широкополосных каналов промежуточных частот радиотелескопа на базе интегральной гибридно-полосковой технологии тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

Ъг,

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ

На правах рукописи

ргб оа

ЛУБЕШКИН ,

Никита Георгиевич 2 2 ДЕК 2003 ^

УЛУЧШЕНИЕ ШИРОКОПОЛОСНЫХ КАНАЛОВ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ ЧАСТОТ РАДИОТЕЛЕСКОПА НА БАЗЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ГИБРИДНО-ПОЛОСКОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 01.03.02. Астрофизика и радиоастрономия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на Федеральном унитарном государственном предприятии "Микротехника" Российского агентства по системам управления (г. Санкт-Петербург).

Научный руководитель:

Доктор технических наук А. В. Ипатов.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Н. А. Есепкнна.

Кандидат технических наук С. Г. Смоленцев.

Ведущая организация:

Астро-космический центр Физического института РАН.

Защита состоится JX), , 2000 г. в № часов_минут

на заседании диссертационного совета Д-200.06.01 при Институте прикладной астрономии РАН (191 187, г. Санкт-Петербург, наб. Кутузова, 10).

Отзывы на диссертацию направлять в адрес диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПА РАН.

Автореферат разослан.

2000 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета Д-200.06.01 доктор физико-математических наук:

А. Т. Байкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Методы радиоастрономии, в первую очередь радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), в настоящее время широко используются в фундаментальных науках (астрономии, геодинамике, геофизике и др.) и при решении прикладных проблем: ко-ординатно-временного обеспечения отраслей народного хозяйства, предсказания землетрясений, космической навигации, предупреждения астероидной опасности и др. РСДБ-технология, дающая предельно высокие угловые разрешения и максимальную точность ко-ординатно-временных систем, достаточно развита в США, Японии, странах Западной Европы и активно развивается в России, где завершается строительство постоянно действующего РСДБ-комплекса "Квазар".

Качество данных, получаемых при РСДБ-наблюдениях, зависит от параметров аппаратуры радиотелескопа, в том числе каналов промежуточных частот (ПЧ). Широкополосные сигналы, принятые криоэлектронными приёмными устройствами, работающими в разных диапазонах длин волн, переносятся в полосу ПЧ и передаются к РСДБ-системе преобразования и регистрации сигналов (СПС) и к радиометрическому измерительному устройству. В комплексе "Квазар", например, РГГУ работают в диапазонах длин волн 21+18 см, 13 см, 6 см, 3,5 см и 1,35 см и имеют полосы пропускания до 500 МГц, а сигналы из этих диапазонов переносятся в диапазон ПЧ 100+600 МГц. Перспективные РСДБ-терминалы (Mark 4) перекрывают диапазон 100+1000 МГц.

Тракт ПЧ в составе радиотелескопа (рис. 1) включает в себя ряд устройств, начиная с малошумящих широкополосных усилителей (МШУ) ПЧ, установленных на выходе приёмного устройства, и кончая широкополосными каналами радиометра (до квадратичного детектора) и каналами ПЧ в составе конверторов СПС (до квадратурного преобразователя частот). В этом же диапазоне частот работают и гетеродинные автогенераторы конверторов СПС.

До последнего времени в трактах ПЧ радиотелескопов использовались функциональные узлы, созданные на элементной базе

конца 80-х - начала 90-х годов (например, МШУ класса "Олимпик"-М42118-2, М42136, микросборка "Орхидея" и др.), которая имеет недостаточный динамический диапазон и не содержит элементов регулировки уровней сигналов, необходимых для оптимизации режимов работы аппаратуры и для автоматизации процессов наблюдений. Упомянутые устройства уже сняты с производства без замены новыми, что уже создаёт трудности в разработках новой радиоастрономической аппаратуры и в ремонте существующей. Ряд необходимых узлов (широкополосный магистральный усилитель ПЧ с коррекцией неравномерности затухания сигналов в коаксиальной линии и гетеродинные автогенераторы для конверторов СПС) вообще не выпускались отечественной промышленностью. Поэтому необходимо создание новой элементно-узловой базы диапазона ПЧ для радиоастрономической аппаратуры. Разработка аппаратуры с требуемыми параметрами осложняется тем, что диапазон ПЧ очень широкий и находится в области перехода от сосредоточенных элементов к распределённым (на длинных линиях).

>

Крио МШУ

Пр.Ч

МШУ ПЧ

РПУ

>-

Крио МШУ

РПУ

Пр.Ч

МШУ ПЧ

Км

кл

СПС РСДБ-терминала

Усилитель распределитель ПЧ

Конвертор

Конвертор

Канал Кв. Видео

ПЧ Пр.Ч каналы

*

ФАПЧ -| Автогенератор |

ПЧ-канал РМИ

Детекор

Вычислитель

РМИ

Рис. I. Тракт ПЧ в приёмном комплексе радиотелескопа: Пр.Ч -преобразователь частоты, Кв.Пр.Ч - квадратурный преобразователь частоты, Км - коммутатор ПЧ, КЛ - коаксиальная линия передачи, ФАПЧ - система фазовой автоподстройки частоты.

При усилении и передаче сигналов ПЧ должны быть исключены (или сведены до минимума) вносимые трактом искажения сигналов, которые ухудшают чувствительность РСДБ-радиотелескопа. Поэтому предъявляются весьма жёсткие требования к равномерности амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и к линейности фазо-частотных характеристик трактов ПЧ, а также к линейности амплитудных характеристик тракта, которые определяют допустимый динамический диапазон принимаемых сигналов и уровень нелинейных искажений. Важное значение имеет снижение фазовых шумов гетеродинных автогенераторов, поскольку вносимая ими паразитная модуляция принимаемого сигнала ведёт к дополнительным потерям когерентности.

Цель работы - улучшение каналов передачи широкополосных радиоастрономических сигналов на ПЧ (100-Я ООО МЛг/) путём создания функционально законченного ряда узлов тракта ПЧ на базе микроэлектронной гибридно-полосковой технологии. Эта задача включает в себя следующие вопросы:

• исследование и разработку узлов системы передачи ПЧ, включая коммутаторы, МШУ с расширенным динамическим диапазоном, магистральные усилители с коррекцией неравномерности затухания сигналов в линии;

• исследование и разработку микросборок широкополосных линейных усилительных каналов конверторов, на современном уровне (Mark 4) и микросборок широкополосных каналов высокочувствительных радиометров;

• исследование путей снижения фазовых шумов гетеродинных автогенераторов и уточнение методик их расчёта;

• разработку ряда автогенераторов с низким уровнем шумов для гетеродинов конверторов СПС;

• экспериментальное исследование создаваемого функционально законченного ряда узлов системы передачи широкополосных сигналов ПЧ в составе комплекса радиометрической и РСДБ-аппаратуры.

Научная новизна

Впервые дан анализ соответствия отечественной элементно- ' узловой базы, применявшейся в каналах передачи ПЧ, современным требованиям к радиоастрономической аппаратуре и обоснованы требования к новой элементно-узловой базе, применение которой значительно расширяет динамический диапазон аппаратуры, сводит к минимуму вносимые искажения сигналов и аппаратурные потери чувствительности, обеспечивает возможность управления режимами работы аппаратуры по программе, задаваемой центральным компьютером радиотелескопа.

Определены условия минимизации фазовых шумов гетеродинных автогенераторов, используемых в конверторах для РСДБ, и уточнена методика их расчёта. Получено соотношение для расчёта числа автогенераторов в заданном диапазоне частот, при котором обеспечивается минимальный уровень шумов. Получены количественные оценки добротностей резонансных контуров автогенераторов для различных конструкгорско-топологических вариантов, что необходимо для обоснованного выбора их при разработке автогенераторов для гетеродинов конверторов.

Практическая значимость

Впервые разработан полный комплект взаимно согласованных функциональных узлов для комплексного оснащения радиоастрономических систем усиления, передачи и преобразования широкополосных (ЮО-гЮОО МГц) сигналов ПЧ, которые обеспечивают соответствие аппаратуры радиотелескопа современным требованиям мирового уровня. Функциональные узлы, разработанные в виде гибридно-интегральных микросборок, использованы на радиотелескопе РТФ-32 РСДБ-комплекса "Квазар" и в новых СПС и радиометрах, создаваемых в ИПА РАН.

Новизна технических решений в части разработки гетеродинных автогенераторов защищена пятью авторскими свидетельствами на изобретения, которые направлены на улучшение конструкции и топологии резонансных контуров, повышение их добротности (и, соответственно, снижение уровня шумов) и на расширение диапазона перестройки.

Основные результаты, выносимые на защиту

1. Функционально законченный ряд микросборок для широкополосных систем передачи сигналов ПЧ (100+1000 МГц) на радиотелескопе, включая магистральные усилители линий передачи ПЧ, широкополосные каналы конверторов СПС и радиометрических устройств, коммутаторы каналов ПЧ и управляемые аттенюаторы. Это обеспечивает расширение динамического и частотного диапазонов радиоастрономической аппаратуры, уменьшение аппаратных потерь чувствительности и возможность оперативного управления от центрального компьютера радиотелескопа;

2. Ряд перестраиваемых автогенераторов с низким уровнем фазовых шумов для гетеродинов конверторов СПС;

3. Методика расчёта резонансных систем автогенераторов, обеспечивающая минимизацию фазовых шумов.

Апробация работы, публикации и вклад автора

По материалам диссертации опубликовано 8 статей, сделано 5 докладов на научно-технических конференциях и семинарах, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.

В работе [17], выполненной в соавторстве, лично автором диссертации проведены разработка, настройка и испытания коммутаторов, МШУ с расширенным динамическим диапазоном, управляемых аттенюаторов, магистрального усилителя и широкополосного канала радиометра.

В работе [18] автору диссертации принадлежат разработка, настройка и испытания автогенераторов и широкополосного канала конвертора.

В [3, 4, 5, 7, 11] и [1, 2, 8, 15] отражены разработки, выполненные группой специалистов под руководством автора диссертации. При этом во всех случаях он лично проводил схемотехническую разработку автогенераторов, предлагал принцип конструирования и участвовал в процессе конструирования и изготовления образцов, разрабатывал методики экспериментальных исследований и участвовал в их проведении.

Изобретения [9, 10, 13, 14, 16] созданы в результате совместной творческой разработки соавторов с равным долевым участием, при-

чём основной вклад автора диссертации относится к схемотехническим принципам заявленных устройств. Тексты описаний по всем заявкам на изобретения написаны автором лично.

Материалы но разделам диссертационной работы были апробированы на семинаре ИПА РАН и на межотраслевых конференциях в НИИ "Вектор" (г. Санкт-Петербург), РНИРТИ (г. Ростов-на-Дону), п. я. Х-5885 и п. я. А-3565.

Диссертационная работа непосредственно связана с плановыми разработками Федерального унитарного государственного предприятия (ФУГП) "Микротехника" (г. Санкт-Петербург) и Института прикладной астрономии Российской академии наук (ИПА РАН). Функциональные узлы разработаны на ФУГП "Микротехника" по заданию ИПА РАН, после чего испытаны в радиоастрономической аппаратуре, создаваемой ИПА РАН по теме "Квазар".

Некоторые из представленных в диссертации узлов и другие аналогичные узлы, созданные по предложенным в диссертации методикам, использованы также в плановых разработках радиоприёмной аппаратуры, проводимых на ФУГП "Микротехника" во взаимодействии с заводом "Энергия" (г. Санкт-Петербург), с НИИ "Вектор" (г. Санкт-Петербург) и с Радиотехническим институтом им. академика Минца (г. Москва).

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Она содержит 100 страниц основного текста, 12 таблиц и 38 рисунков. Список литературы включает 46 наименований. Общий объём работы -111 страниц.

В первой главе рассматриваются спектральные характеристики автогенераторов для гетеродинов конверторов СПС.

Определяются требования, которым должен удовлетворять автогенератор гетеродина конвертора. На основе методов анализа спектральных плотностей фазовых шумов генераторов исследуется взаимосвязь шумовых характеристик автогенератора с конструк-торско-техническими параметрами его схемы, определяются условия минимизации уровня фазовых шумов.

Во второй главе на основе сравнительного анализа параметров резонансных контуров выработаны рекомендации по расчету и конструированию автогенераторов и представлены результаты их экспериментального исследования.

В третьей главе рассмотрены ограничения параметров радиотелескопа, обусловленные элементно-узловой базой каналов усиления и передачи широкополосных сигналов ПЧ (100 +1000 МГц). Определены требования к специализированным микросборкам и представлены результаты их разработки.

В четвёртой главе излагаются результаты испытаний и использования разработанных микросборок функциональных узлов диапазона 100 +1000 МГц в трактах ПЧ радиотелескопа РТФ-32, в конверторах СПС и в радиометрических модулях радиотелескопов РСДБ-комплекса "Квазар".

Заключение содержит формулировку основных результатов, полученных в работе и перечень положений, выносимых на защиту.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Анализ фазовых шумов перестраиваемых автогенераторов для гетеродинов РСДБ-конверторов

Основной характеристикой качества гетеродина конвертора является относительная спектральная плотность фазовых шумов Я<рг{ у), которая описывает распределение среднего квадрата флкж-туаций фазы (в полосе 1 Гц) по частотам отстройки V относительно рабочей частоты /г и выражается в децибелах по отношению к мощности гетеродина Рг на рабочей частоте. В качестве интегральной характеристики фазовых флюктуаций часто используют сред-неквадратическое отклонение (СКО) фазы в полосе частотных отстроек + 1^):

Ж^^ + Х!^0'1*' (1)

л К

где первое слагаемое учитывает непрерывный спектр фазовых шумов, а второе - дискретные компоненты спектра с уровнями

Спектральная плотность ^рНУ) выражена в относительных единицах, что отмечено штрихом.

На основе известных представлений шумов автогенераторов степенными рядами и шумовой модели транзистора, предложенной Лиссоном, можно получить спектральную плотность фазовых шумов автогенератора

= чтр(уУр1уъ + у2р /у2 + Уа/у + \), (2)

где ур = /г /20, - полуширина полосы пропускания нагруженного резонатора, <2 _ ег0 добротность, уа = (104н-105) Гц- отстройка, при которой частотный фликкер-шум становится равным частотному белому шуму. Шумовой параметр транзистора </тр =2Ытр кТ/Рг, где к - постоянная Больцмана, определяется его коэффициентом шума ЫТр, температурой Т и мощностью Рр. В диапазоне частот до 1 ГГц отечественные транзисторы (АП362А9, КТ3186А9, АП379А9) имеют Ятр ~ (1,1*1,6)-10-17 Гц1. При V <ур определяющими являются шумы автогенератора Брц{у), а при у >ур - шумы буферного усилителя = ^(рБУ^00) ~ -(145-^153) дБ/Гц. Спектр шума снижается при повышении <2, а кривая Б^лг (К) имеет два характерных участка: с наклоном 6 дБ/октаву при уа<у<ур и с наклоном 9 дБ/октаву при V < Уа (рис. 2). При разработке автогенераторов необходимо добиваться увеличения

При повышении /г точка излома (у =/г /20) кривой (у) смещается в сторону больших у и уровень шумов повышается примерно на 20 дБ/декаду. Поэтому в высокочастотном участке рабочего диапазона частот (/г > 500 МГц) предъявляются более жесткие требования к конструкции резонатора, чтобы повысить добротность, которая с повышением частоты падает из-за увеличения потерь в диэлектриках, влияния поверхностного эффекта и других факторов.

Показано, что спектральная плотность вносимого варикапом шума

^(К) = 10-1ё(8-10"2Хв* ^р^2)'

где Яше - шумовое сопротивление варикапа, К)71р - крутизна характеристики перестройки автогенератора /г (£/в). С ростом у спектр убывает с наклоном 6 дБ/октаву. Вносимый варикапом шум при отстройке 10 кГц составляет 5,?Кар(10 кГц) = -99 дБ/Гц при Яшв=

= 1,5-105 Ом и КуцГ 3 МГц/В. дБ

-60

-80

-100

-120 -140

-160

102 103 1 04 1 05 1 04 у,Гц

Рис.2. Фазовые шумы ГУН с буферным усилителем (/г = 1000 МГц).

При уменьшении крутизны Кущ, снижается не только вклад собственных шумов варикапа, но и воздействие флгоктуаций управляющего напряжения (в первую очередь, пульсаций ипул на частоте сети /сеть электропитания и её гармониках ¡/сеть)- Полученное в работе соотношение

Купр=^21/сеть\0°'°5д"-/и^

даёт возможность определить наибольшую крутизну перестройки автогенератора Купр при заданном уровне пульсаций и допустимом уровне сетевых компонентов спектра (¡¡щт.

Для снижения шумов целесообразно применять высокодобротные варикапы с большим перепадом емкостей Кс и малой минимальной ёмкостью Свтт (например, КВ156А9). На практике до сих пор широко применяется полное включение варикапа в резонатор, что не всегда оправдано. Добиваться снижения К>71р и шумов при наличии варикапов с большим отношением емкостей Кс удобно пу-

тем неполного включения варикапа в контур с помощью последовательно включённой ёмкости С„. При этом ёмкость настройки резонатора С„ — СпСв/(Сп+Св) уменьшается по сравнению с Св и в (С„+Св) 1С„ раз уменьшаются вносимые в резонатор потери, но при этом сужается диапазон перестройки автогенератора FAr. Емкость С„ выбирается так, чтобы обеспечить разумный компромисс между требованием по снижению шума и числом автогенераторов NAr. При одних и тех же омических потерях добротность контура оказывается выше при больших индуктивностях и, соответственно, меньших значениях полной емкости контура Ск = Сдел+С„. Минимальные значения емкостей в схеме резонатора ограничены паразитными емкостями монтажа (0,1-^0,3 пФ) и межэлектродными емкостями транзистора.

Предложенная в работе методика расчёта параметров резонатора в отличие от применявшейся ранее гарантирует получение максимальной добротности Q и, соответственно, минимизацию шумов автогенератора. Она не требует последовательного перебора вариантов схемы резонатора и типов варикапа для получения приемлемых параметров автогенератора.

Полученное в работе соотношение

устанавливает связь Fat и параметров схемы при условии получения наибольшего значения Q и соответственно, минимума шумов.

Для расчёта СКО фазовых шумов в полосе от vH ~ va до ve=F, соответствующей полосе пропускания видеочастотного тракта конвертора, из (1) получена формула

= — + (4)

п \ 4Q\

Для СКО низкочастотных флюктуаций фазы в полосе от V; ~ю Гц до уа получено выражение

{\Шр1тгУх)^ТРУа1Ъ .

Расчёты показьгеают, что (Три^Г) « ар,ч « 0,38+0,91 град. При <2 >100 уровень собственных шумов автогенератора и СКО фазы значительно ниже допустимых для РСДБ значений.

Глава 2. Разработка и экспериментальное исследование автогенераторов для РСДБ-конверторов

Выбор конструкции автогенератора проводился на основе экспериментального исследования резонансных контуров, выполненных на сосредоточенных и полусосредоточенных ¿С-элементах и на отрезках линий передачи разных типов: микрополосковой (МПЛ), симметричной высокодобротной полосковой (ВПЛ), несимметричной подвешенной полосковой (ППЛ) и коаксиальной (на кабелях РК 50-2).

У резонаторов с индуктивностями в виде полувитков проводника или бескаркасных катушек в диапазоне частот до 1ГГц достаточно высокая добротность (<2«100+320), но они имеют сравнительно большие габариты, требуют хорошей экранировки и недостаточно устойчивы к вибрационно-ударным нагрузкам, которые могут стать причиной паразитной частотной модуляции гетеродинного сигнала (микрофонного эффекта).

Достаточно высокую добротность в рассматриваемом диапазоне частот имеют резонаторы на закороченных отрезках линий передачи длиной 1<Я/4, где Я - длина волны в линии (табл. 1). В данном случае можно использовать все типы рассмотренных полосковых линий. МПЛ наиболее удобна с точки зрения конструирования и настройки автогенератора, но О, примерно в 2 раза ниже, чем у ВПЛ. К недостаткам резонаторов на ВПЛ следует отнести увеличение габаритов, более сложную конструкцию и ухудшение доступа к элементам схемы при настройке. Поэтому ВПЛ целесообразно использовать лишь на частотах выше 0,5 ГГц. Почти такие же результаты, как с ВПЛ, можно получить на ППЛ, которая в отличие от

ВПЛ не требует точного совмещения топологий с двух сторон подложки, но неудобства настройки сохраняются и, кроме того, критична высота подвески подложки.

Таблица 1.

Параметр Доб ротность <2 д лина 1, мм

Частота, МГц 250 500 1000 250 500 1000

МПЛ (ФЛАН-2,8) 215 181 135 222 111 55,5

МПЛ (<ФЛАН-10) 198 166 98 117,8 58,8 29,4

МПЛ (поликор, ¿=4 мкм) 205 178 102 118,2 59,1 29,55

МПЛ (поликор,/=12 мкм) 240 195 107 118,2 59,1 29,55

ВПЛ {ФЛАН-2,8) 392 337 220 286 143 71,4

ВПЛ (поликор,/^ 12мкм) 403 386 240 272 136 68

ППЛ {ФЛАН-2,8) 360 311 204 268 134 67

РК50-2-29 217 195 172 186 93 46,5

РК50-2-22 231 203 180 186 93 46,5

Резонаторы с закороченными отрезками коаксиальных кабелей РК50-2-29 и РК50-2-22 просты в изготовлении и могут использоваться во всем диапазоне рабочих частот. Эксперименты показали, что на частотах ниже 500 МГц резонаторы на отрезках коаксиальных кабелей по добротности близки к МПЛ, а на частотах выше 500 МГц имеют более высокую добротность. Эффективным на этих частотах оказался коаксиал РК50-2-22, у которого оба проводника посеребрены.

В диапазоне частот 0,5-И ГГц эффективна схема резонатора с индуктивностью в виде Я/4-трансформатора, нагруженного ёмкостью. При использовании коаксиалов РК 50-2-22 О 12-^200. Близкие значения <2 имеют и резонаторы с ¿/4-трансформатором на МПЛ. Достоинства этих резонаторов - простота конструкции, удобство настройки, устойчивость к механическим нагрузкам и внешним полям.

На основе проведённого выше анализа фазовых шумов и доб-ротностей резонаторов разработаны микросборки автогенераторов для конверторов. Диапазон частот 500-И000 МГц перекрывался с

помощью двух микросборок, в каждой из которых размещалось по 4 автогенератора. На частотах ниже 500 МГц использовались делители частоты на 2, 4 и 8.

Значения спектральной плотности £^{10 кГц) при отстройке 10 кГц во всём диапазоне частот соответствуют уровню лучших зарубежных образцов (табл. 2). <5^(10 кГг/) снижается с понижением частоты /г.

Таблица 2. З^ЮкТц) для автогенераторов.

Частота, МГц Разработанные Зарубежные аналоги

1000 -96 -93 (POS-1000W)

1000 -96 -104 (КОБ-ЮООРУ)

800 -101 -95 (РОБ-900\У)

400 -105 (пД=0) -93 (Р08-535)

400 -105 (пд=2) -98 (1108-535)

200 -111 (Пд=4) -102 (Р08-200)

100 -116 (щ=8) -105 (ЮБ-гОО)

* пд - коэффициент деления частоты.

Выполнение микросборок в герметизированных корпусах гарантирует сохранение их параметров в широком диапазоне климатических воздействий: рабочий диапазон температур от -10 17 до +50 'С, предельный от -5017 до +65 17, влажность - до 98%. Конструкция устойчива к вибрационным и ударным нагрузкам, не подвержена микрофонному эффекту. При постоянном управляющем напряжении измеренное значение температурного коэффициента частоты составляет (5-Иэ)-10*5 град'1.

Было изготовлено два комплекта микросборок, которые вошли в состав разработанных в ИПА РАН макетов гетеродинов для конверторов нового поколения.

Глава 3. Микросборки узлов широкополосных трактов усиления и передачи сигналов промежуточных частот

Для удовлетворения возросших требований к широкополосным каналам передачи ПЧ на РСДБ-радиотелескопе была разработана микросборка магистрального усилителя диапазона частот 100-5-1000 МГц, которая содержит полосовой фильтр, управляемый аттенюатор, корректор неравномерности затухания сигналов в коаксиальной линии и МШУ с большим динамическим диапазоном. Новый МШУ расширяет динамический диапазон линии не менее чем на 16 дБ по сравнению с применявшимися до настоящего времени МШУ класса "Олимпик". Частотно-зависимый коэффициент передачи микросборки позволяет скомпенсировать частотную неравномерность коэффициента передачи коаксиальной линии, которая составляет 18-И 9 дБ, и выровнять общий коэффициент передачи с точностью до 1 дБ (рис. 3). Управляемый аттенюатор (0-н21 дБ через 3 дБ) позволяет выбирать разброс уровней сигналов в линии, связанный со сменой приёмного устройства, включением/выключением криостата и другими факторами.

К, дБ

-Ю

-20

20

10

о

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 уг

Рис. 3. Коэффициенты передачи при нулевом ослаблении аттенюатора.

Г. ГГц

Широкополосный канал радиометрического измерителя

разработан в виде единой микросборки, обеспечивающей усиление сигнала ПЧ и регулировку его уровня в пределах 0+31 дБ с шагом 1 дБ. Динамический диапазон расширен по крайней мере на 16 дБ. В микросборку введены переключатели, обеспечивающие разные режимы радиометрии. Всё это расширяет возможности проведения радиометрических наблюдений (табл. 3).

Таблица 3. Параметры ГИС широкополосного канала радиометра.

Параметры Разработанная ГИС Применявшаяся ранее аппаратура

Диапазон частот, МГц 100+1000 100+600

Коэффициент шума МШУ 2 . 2

Уровень ограничения на выходе

МШУ, дБм 15 0,45

Коэффициент стоячей волны 1,6+1,8 1,6+1,8

Неравномерность АЧХ, дБ 1,5 3

Диапазон/шаг регулировки уровня, дБ (0+31)/1 нет

Динамический диапазон измерителя, дБ 52 35

Динамический диапазон сигналов, дБ 83 35

Для РСДБ-систем разработана микросборка широкополосного канала конвертора, которая содержит входной управляемый аттенюатор для установки необходимого уровня сигнала ПЧ, коммутируемый преселектор для подавления помех, создаваемых комбинационными каналами преобразования частот, и МШУ. Преселектор выполнен из четырёх переключаемых р-1-п диодами полосовых фильтров на поддиапазоны частот 100+207 МГц, 143+-347 МГц, 283+592 МГц, 528+1032 МГц. Потери в фильтрах не превышают 1,7 дБ, а неравномерность потерь в рабочей полосе пропускания менее 0,5 дБ. Фильтры имеют достаточно хорошую избирательность: вне-полосное затухание превышает 35 дБ при /< 0,5/т,п и/> 1,5/тах. Фазо-частотная характеристика практически линейна в полосе пропускания (нелинейность меньше погрешности измерительной аппаратуры, составляющей 2-3 град).

Аттенюатор выполнен на высокостабильных резисторах, переключаемых р-1-п диодами, благодаря чему практически исключены

фазовые искажения широкополосного сигнала. Диапазон перестройки аттенюатора (КЗ 1 дБ с шагом 1 дБ. Характеристики аттенюатора обеспечивают не только установку уровня сигнала, гарантирующего нормальную работу последующих каскадов конвертора (квадратурного преобразователя частот, видеоусилителя и квантователя сигналов), но и выравнивание уровней сигналов в разных каналах конвертирования с погрешностью не более 1 дБ.

Широкополосный канал конвертора выполнен на одной бескорпусной стеклотекстолитовой подложке и удобен для сопряжения с квадратурным преобразователем частот при их компоновке в экранированной кассете.

Все микросборки разработаны с учётом возможности применения их в аппаратуре с централизованным управлением от компьютера радиотелескопа.

Глава 4. Использование микросборок функциональных узлов тракта промежуточных частот в радиоастрономической

аппаратуре

Для линий передачи ПЧ на радиотелескопе РТФ-32 разработаны микросборки коммутаторов на р-г-п диодах, с помощью которых выходы РПУ подключаются к коаксиальным линиям, и рассмотренные выше микросборки магистральных усилителей, позволяющие исключить блоки распределения сигналов аппаратуры "Ключ", имеющие ограниченный частотный диапазон (до 600 МГц). Параметры (табл. 4) и надёжность коммутаторов РПУ подтверждены длительной безотказной работой в обсерватории "Светлое". Второй комплект коммутаторов подготовлен для обсерватории "Зеленчукская". Для обеих обсерваторий изготовлены комплекты (по 4 шт.) магистральных усилителей, опытная эксплуатация которых началась в обсерватории "Светлое".

В результате введения этих микросборок достигнуто расширение диапазона частот до 1000 МГц (вместо 100^600 МГц), расширение динамического диапазона на 16 дБ, увеличение отношения сигнал/шум на входе СПС и радиометрического измерителя не менее чем на 10 дБ, выравнивание спектра сигнала в полосе 100-5-1000 МГц с точностью 1 дБ, оптимизация режимов работы ап-

паратуры за счёт дистанционной регулировки коэффициента передачи линии.

Таблица 4. Параметры линий передачи ПЧ.

Параметр Линия с магистральным усилителем Линия без магистрального усилителя

Затухание в линии (без коррекции неравномерности), дБ /=100 МГц /=600 МГц ^та мгц 0-1 0-1 0-1 -(6-7) -{17-18) 422-24)

Динамический диапазон линии передачи (с учётом РПУ), дБ С заменой МШУ в "Орхидее" Без замены 33-50 17-36" 17-36**

Сигнал/шум на выходе линии, дБ >20 8-18*

* Зависит от усиления и шумов РПУ, ** В диапазоне 100-600 МГц.

Микросборка широкополоспого канала радиометра, рассмотренная в главе 3, использована в основных измерительных трактах 4-канальных программируемых радиометрических модулей для радиотелескопов комплекса "Квазар". В результате был расширен динамический диапазон радиометров, улучшены его эксплуатационные характеристики, обеспечена возможность программного управления и автоматизации процессов наблюдений.

В комплект к этой микросборке разработана микросборка плавно-управляемого аттенюатора, необходимая для реализации режимов работы радиометра с модуляцией сигнала по промежуточной частоте. С помощью этого аттенюатора, перестраиваемого в диапазоне ослаблений 0,7-25 дБ, уровень опорного шума, получаемого от шумового генератора диапазона 100-1000 МГц, точно совмещается с уровнем измеряемого сигнала, поступающего с выхода приёмника. При модуляции по промежуточной частоте даже при одноканальном приёмном устройстве возможна работа в парнока-нальном режиме радиометрии (по принципу Грахма), который даёт повышение чувствительности модуляционного радиометра в Л раз.

Изготовлены комплекты микросборок для оснащения радио-

метров на двух РТФ-32, входящих в комплект "Квазар".

При разработке новой РСДБ-системы преобразования сигналов в ИПА РАН используется рассмотренная в третьей главе микросборка широкополосного канала конвертора. Она устанавливается в конверторе перед квадратурным преобразователем частот и имеет все необходимые для нормальной работы конвертора регулировки. Параметры микросборки обеспечивают возможность создания терминала на научно-техническом уровне лучших зарубежных образцов (Mark 4, VLB А 4). От предшествующих отечественных разработок (например, "Ключ") конвертор с новой микросборкой отличается расширенным динамическим диапазоном, регулировкой уровней сигналов, улучшенной (за счёт преселектора) помехозащищённостью и удобством эксплуатации (табл. 5.).

Таблица 5. Параметры конвертора с ГИС.

Диапазон частот, МГц 100-1000

Коэффициент шума, пересчитанный ко входу, дБ 12

Коэффициент усиления, дБ 26

Неравномерность АЧХ в диапазоне частот, дБ 1,7

Неравномерность АЧХ в полосе до 32 МГц, дБ <0,3

Динамический диапазон линейной АХ, дБ 50

Регулировка уровня сигнала, дБ 31 через 1

Ослабление 3-й гармоники сигнала, дБ >30

Одним из наиболее ответственных узлов РСДБ-системы являются гетеродины конверторов. При их разработке использованы микросборки автогенераторов, рассмотренные в главе 2. Испытания этих микросборок в составе макетов конверторов, проведённые в ИПА РАН, подтвердили их соответствие всем требованиям к РСДБ-аппаратуре. СКО фазовых шумов гетеродина не превышает 0,7 град в полосе ^ = 2 МГц. Мощность гетеродинов 2-3 мВт обеспечивает работу квадратурного преобразователя частоты.

Кроме этих микросборок в РСДБ-терминале используются микроплаты рассмотренных выше МШУ, коммутаторов и аттенюаторов. На их основе собран макет блока распределения каналов конвертирования для разрабатываемой в ИПА РАН новой СПС.

В настоящее время изготовлены и прошли лабораторные испытания комплекты микросборок, необходимых для первого двухка-нального РСДБ-модуля преобразования сигналов. Разработана конструкторская документация и подготовлено производство для выпуска партий микросборок с целью увеличения числа каналов в РСДБ-терминалах. Создание ряда микросборок позволило разработать первые гетеродины для конверторов диапазона ЮО-НООО МГц с низким уровнем фазовых шумов.

Заключение

В результате проведённых исследований и разработок создана новая элементно-узловая база для каналов передачи и усиления широкополосных радиоастрономических сигналов на ПЧ 100-н 1 ООО МГц, включая МШУ с расширенным динамическим диапазоном, коммутаторы и аттенюаторы диапазона ПЧ, управляемые магистральные усилители с коррекцией неравномерности затухания сигналов в коаксиальных линиях передачи, широкополосные линейные тракты конверторов РСДБ-терминалов, широкополосные усилительные каналы радиометрических устройств и ряд автогенераторов для гетеродинов конверторов.

Новая элементно-узловая база, разработанная по интегральной гибридно-полосковой технологии, представляет собой функционально законченный и взаимно согласованный ряд узлов диапазона ПЧ (100-И ООО МГц) для современной радиоастрономической аппаратуры, который решает следующие задачи:

«расширение диапазона частот радиометрических и РСДБ-терминалов до 1 ООО МГц и их совмещение с перспективными зарубежными терминалами (Mark 4, VLBA 4);

• расширение динамического диапазона тракта ПЧ по крайней мере на 16 дБ, что практически исключает возможность появления амплитудных искажений принимаемого сигнала и существенно облегчает эксплуатацию РСДБ-терминалов и радиометров;

• обеспечение возможности создания конверторов СПС, соответствующих уровню лучших зарубежных аналогов (Mark 4, VLBA4);

• возможность оперативных регулировок уровней сигналов во всех каналах передачи и преобразования сигналов ПЧ с целью оптимизации режимов работы СПС и радиометра, снижения потерь когерентности сигналов при РСДБ-наблюдениях и чувствительности при радиометрии;

• улучшение эксплуатационных характеристик аппаратуры радиотелескопа за счёт замены интегральными микросборками множества узлов с разъёмными соединениями;

• возможность воспроизводства разработанной аппаратуры на отечественной производственной базе, её ремонта и профилактического обслуживания при эксплуатации.

Экспериментальное исследование функциональных узлов в составе комплекса РСДБ-аппаратуры подтвердило высокое качество разработки. Созданные микросборки применяются в линиях передачи сигналов ПЧ на РТФ-32, в программируемых радиометрах и конверторах СПС, созданных в ИПА РАН для оснащения радиотелескопов РСДБ-комплекса "Квазар" (обсерватории "Светлое" и "Зеленчукская").

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лубешкин Н. Г., Елизаров М. В., Прохоренко А. В. Генераторы с механической перестройкой на диодах 3A703 и ЗА705 для малогабаритной аппаратуры (тезисы доклада). "Материалы III Всесоюзного семинара по твёрдотельным СВЧ генераторам". РНИРТИ, Ростов-на-Дону, 1973.

2. Лубешкин Н. Г., Елизаров М. В., Прохоренко А. В. Стабилизированный гетеродин на диоде ЗА705 с внешней синхронизацией частоты (тезисы доклада). "Материалы III Всесоюзного семинара по твёрдотельным СВЧ генераторам". РНИРТИ, Ростов-на-Дону, 1973.

3. Лубешкин Н. Г., Баранова Н. Н., Елизаров М. В., Конструирование транзисторного СВЧ генератора с полосой перекрытия выше

октавы. "Вопросы радиоэлектроники", сер. XII, № 12, 1974.

4. Лубешкин Н. Г., Баранова H. Н., Елизаров М. В., Гавриченко-ва И. В. Перестраиваемый транзисторный автогенератор дециметрового диапазона. "Техника средств связи", сер. "Общетехническая", № 4,1976.

5. Лубешкин Н. Г., Баранова H. Н., Елизаров М. В. О повышении стабильности частоты транзисторного автогенератора СВЧ с электронной перестройкой. "Вопросы радиоэлектроники", сер. "Радиолокационная техника", № 7, 1977.

6. Лубешкин Н. Г. Ряд полупроводниковых диапазонных гетеродинов СВЧ (тезисы доклада). "Материалы XI научно-технической конференции", M., А-3565, 19777. Лубешкин Н. Г., Кроуз К. М. Определение среднеквадратичного

набега частоты и фазы СВЧ генераторов за малые промежутки времени. Депонированная статья № 3-6100, MPC сер. ЭР. № 20, ВИМИ, М.:,1978.

8. Лубешкин Н. Г., Байков А. Д., Елизаров М. В., Любимова И. И. Диодный генератор с охлаждённым стабилизирующим резонатором. "Тезисы XII научно-технической конференции по бортовым РПУ". НИИ "Вектор", уч. № 5/2732, Л., 1978.

9. Лубешкин Н. Г., Баранова H. Н. Генератор качающейся частоты. Авторское свидетельство на изобретение № 657579, с приор, от 06.09.76, 1978.

10.Лубешкин Н. Г., Баранова H. Н., Елизаров М. В. Сверхвысокочастотный генератор. Авторское свидетельство № 623462 от 4.11.76., 1978.

11.Лубешкин Н. Г., Бахматова О. И. Елизаров М. В. Частотные шумы полупроводниковых генераторов СВЧ. Депонированная статья №3-6062, MPC, сер. ЭР, № 26, ВИМИ, М.: 1979.

12.Лубешкин Н. Г. Экспериментальное исследование воздействия внешнего СВЧ сигнала на генератор шумовых колебаний на диоде Ганна. "Техника средств связи", сер. "Общетехническая", №4,1979.

13.Лубешкин Н. Г., Бахматова О. К. Генератор сверхвысоких частот. Авторское свидетельство на изобретение № 854255 с приор. 0т9.01.80., 1981.

14.Лубешкин Н. Г., Ульянова Е. А. Генератор сверхвысоких частот. Авторское свидетельство на изобретение № 826918, 1981.

15.Лубешкин Н. Г., Баранова Н. Н. Генераторный модуль СВЧ с варикапной перестройкой частоты. "Проектирование и конструирование МЭА. Перспективы развития. Тезисы конференции", М.,п. я.Х-5885, 1983.

16.Лубешкин Н. Г., Лагутин В. Ф. Генератор СВЧ. Авторское свидетельство на изобретение № 1166261, 1985.

П.Ипатов A.B., Кольцов Н. Е., Лубешкин Н. Г. Новая элементно-узловая база широкополосных каналов промежуточных частот радиотелескопа. "Сообщения ИПА РАН", № 133, СПб, 2000. 18.Климов С. Д., Кольцов Н. Е., Лубешкин Н. Г., Федотов JI. В. Конвертор модульной РСДБ системы преобразования сигналов. "Сообщения ИПА РАН", № 134, СПб, 2000.

Введение.

Глава 1. Анализ фазовых шумов перестраиваемых автогенераторов для гетеродинов РСДБ-конверторов.

1.1. Требования к автогенераторам для гетеродинов конверторов.

1.2. Спектральные характеристики автогенератора.

1.3. Шумы автогенератора с буферным усилителем.

1.4. Шумы и дискретные компоненты спектра, вносимые по цепи управления частотой автогенератора.

1.5. Расчёт резонансного контура автогенератора с низким уровнем шумов.

1.6. Умножение и деление частоты автогенератора.

1.7. Паразитная модуляция принимаемого сигнала шумами автогенератора.

1.8. Выводы.

Глава 2. Разработка и экспериментальное исследование автогенераторов для РСДБ-конверторов.

2.1. Автогенераторы с LC-контурами на сосредоточенных и полусосредоточенных элементах.

2.2. Резонатор с закороченным отрезком длинной линии.

2.3. Резонатор с четвертьволновым трансформатором.

2.4. Результаты разработки и экспериментального исследования перестраиваемых генераторов с малыми шумами.

2.5. Генераторы с затягиванием частоты высоко добротного резонатора.

2.6. Выводы.

Глава 3. Микросборки узлов широкополосных трактов усиления и передачи сигналов промежуточных частот.

3.1. Требования к специализированным микросборкам.

3.2. Микросборка широкополосного канала радиометрического измерителя сигналов.

3.3. Магистральный усилитель линии передачи промежуточных частот.S

3.4. Микросборка широкополосного канала РСДБ-конвертора.

3.5. Выводы.

Глава 4. Использование ГИС функциональных узлов тракта промежуточных частот в радиоастрономической аппаратуре.

4.1. Использование микросборок в линиях передачи сигналов промежуточных частот на радиотелескопах РТФ-32.

4.2. Применение специализированных микросборок в программируемых радиометрических модулях.

4.3. Использование специализированных ГИС в разработке РСДБ-терминалов преобразования сигналов.

4.4. Улучшение параметров преобразователя частот РПУ.

4.5. Выводы.

Радиоастрономия за последние десятилетия достигла очень высокого уровня развития, и ее методы широко используются как в фундаментальных науках (геодинамика, геофизика и др.), так и в решении прикладных проблем: координатно-временное обеспечение отраслей народного хозяйства, предсказание землетрясений, космическая навигация, предупреждение астероидной опасности и др. Важнейшими направлениями современной радиоастрономии являются радиометрия и радиоинтерферометрия, особенно радиоинтерферометрия со сверхдлинными базами (РСДБ), дающая предельно высокие угловые разрешения и максимальную точность координатно-временных систем [1-3]. РСДБ-технология активно развивается в мире и стала одной из ведущих технологий, обеспечивающих решение многих фундаментальных и прикладных научных проблем. В России завершается строительство постоянно действующего РСДБ-комплекса "Квазар": введён в действие первый радиотелескоп РТФ-32 (п. Светлое), завершается строительство второго (п. Зеленчукская) и начато строительство третьего (п. Бодары).

На антеннах радиотелескопов обычно устанавливаются сверхмалошу-мящие криоэлектронные радиоастрономические приёмные устройства (РПУ), работающие в разных диапазонах длин волн и имеющие предельно высокую чувствительность. Принимаемый СВЧ сигнал усиливается и переносится преобразователем частот РПУ в полосу промежуточных частот (ПЧ), а далее по коаксиальной линии сигнал ПЧ передаётся на РСДБ-системы преобразования и регистрации сигналов (СПС) и на радиометрические измерительные устройства (РМИ).

В комплексе "Квазар", например, РПУ работают в диапазонах волн 21-И8 см, 13 см, 6 см, 3,5 см и 1,35 см и имеют полосы пропускания до 500 МГц, а сигналы из этих диапазонов переносятся в диапазон ПЧ 100-г600 МГц [4], в которой работают РМИ и СПС [5]. На некоторых радиотелескопах (в основном, зарубежных) используются и другие диапазоны ПЧ, например, 7

500-И ООО Ml ц при работе с РСДБ-терминалами VLB А 3. В настоящее время просматривается тенденция расширения полос пропускания трактов ПЧ с целью перекрытия диапазона 100-И ООО МГц, что соответствует параметрам перспективного РСДБ-терминала Mark 4.

Тракт ПЧ в составе радиоприёмного комплекса радиотелескопа (рис. В.1) включает в себя ряд устройств, начиная с малошумящих широкополосных усилителей (МШУ) ПЧ, установленных на выходе РПУ, и кончая широкополосными каналами РМИ (до квадратичного детектора) и каналами ПЧ в составе конверторов СПС (до квадратурного преобразователя частот). В этом же диапазоне частот работают и гетеродинные автогенераторы (ГУН), перестраиваемые напряжением, которые используются в составе РСДБ-конверторов для квадратурного преобразования ПЧ к видеочастотам. На рис. В.1 функциональные узлы трактов ПЧ выделены утолщёнными линиями.

Рис.В.1. Тракт ПЧ в радиоприёмном комплексе радиотелескопа: Пр.Ч - преобразователь частоты, Кв.Пр.Ч - квадратурный преобразователь частоты, МШУ - малошумящий широкополосный усилитель, Км - коммутатор выходов РПУ, KJI - коаксиальная линия передачи, ФАПЧ - система фазовой автоподстройки частоты ГУН,

Тракты ПЧ на радиотелескопе выполняют функции широкополосного усиления и передачи сигналов, а также их селекции (для исключения внепо-лосных помех). При этом должны быть исключены или сведены до минимума вносимые трактом искажения сигналов, которые могут ухудшить чувствительность РСДБ-радиотелескопа (за счёт вносимых потерь когерентности принимаемых радиоастрономических сигналов) и искажать результаты радиометрических измерений. Поэтому предъявляются весьма жёсткие требования к равномерности амплитудно-частотных (АЧХ) и к линейности фазо-частотных (ФЧХ) характеристик трактов ПЧ, а также к линейности амплитудных характеристик МШУ тракта, которые определяют допустимый динамический диапазон принимаемых сигналов и уровень их нелинейных искажений. Важное значение имеет и снижение фазовых шумов гетеродинных автогенераторов РСДБ-конверторов, поскольку вносимая ими паразитная модуляция принимаемого сигнала ведёт к дополнительным потерям когерентности последних. Создание аппаратуры с требуемыми параметрами в рассматриваемом диапазоне частот (100-И ООО МГц) - задача нетривиальная, поскольку диапазон ПЧ очень широкий (10-кратное перекрытие) и находится в области перехода от техники на сосредоточенных ("дискретных") элементах к технике на распределённых элементах (на длинных линиях).

Проблемы, стоящие в диссертационной работе.

До последнего времени при оснащении радиотелескопов в трактах ПЧ использовались функциональные узлы, созданные на элементной базе конца 80-х - начала 90-х годов, которая уже не в полной мере соответствует современным требованиям. Так для широкополосного усиления сигналов ПЧ повсеместно используются МШУ класса "Олимпик" (М42118-2, М42136, микросборка "Орхидея" и др.), которые имеют сравнительно небольшую выходную мощность (до 0,4^0,5 мВт для шумового сигнала), вследствие чего ограничен допустимый динамический диапазон принимаемых сигналов и могут возникать затруднения при радиометрических исследованиях. Дефицит динамического диапазона трактов ПЧ усугубляется ещё и неравномерностью затуханий сигнала в коаксиальных линиях на разных частотах, которая в полосе lOO-f-lOOO МГц составляет 21+22 дБ при расчётной длине линии 200 л/, которая примерно равна длине линии на радиотелескопах РТФ-32.

Следует заметить также, что упомянутые МШУ класса "Олимпик" в настоящее время сняты с производства без замены новыми, что уже создаёт трудности в разработках новой радиоастрономической аппаратуры и в ремонте существующей. А многие функциональные узлы, необходимые для трактов ПЧ, вообще не выпускались отечественной промышленностью. Это относится, в частности, к широкополосным магистральным усилителям с регулируемым усилением и коррекцией неравномерности затухания сигналов в линии и к гетеродинным ГУН, без которых невозможна разработка современных СПС. Но и те элементы, которые выпускались (например, МШУ) не содержали элементов регулировки усиления и уровней сигналов, что сильно затрудняло сопряжение отдельных устройств при монтаже на радиотелескопе и в процессе эксплуатации.

Отсутствие отечественной элементно-узловой базы диапазона ПЧ, достаточной по номенклатуре и соответствующей по параметрам современным требованиям к радиоастрономической аппаратуре, предопределяет актуальность данной работы.

Цель диссертационной работы - улучшение каналов передачи широкополосных радиоастрономических сигналов на промежуточных частотах (100ч-1000 МГц), начиная от преобразователя частот РПУ и заканчивая квадратурными преобразователями частот РСДБ-конверторов и квадратичными детекторами РМИ. Эта цель достигается путём создания функционально законченного ряда узлов тракта ПЧ на базе микроэлектронной гибридно-полосковой технологии. Решение этой задачи включает в себя следующие вопросы:

• исследование и разработку узлов системы передачи ПЧ (ЮО-гЮОО МГц), включая коммутаторы, МШУ с расширенным динамическим диапазоном, магистральные усилители с коррекцией неравномерности затухания;

• исследование и разработку микросборок широкополосных линейных усилительных каналов РСДБ-конверторов, полностью соответствующих требованиям к СПС современного мирового уровня (Mark 4, VLBA 4), и широкополосных каналов высокочувствительных радиометрических измерительных устройств;

• исследование путей снижения фазовых шумов ГУН для гетеродинов СПС и уточнение методик их расчёта;

• разработку ряда автогенераторов с низким уровнем шумов для гетеродинов конверторов СПС;

• экспериментальное исследование создаваемого функционально законченного ряда узлов системы передачи широкополосных сигналов ПЧ в составе комплекса радиометрической и РСДБ-аппаратуры.

Краткое содержание последующих разделов диссертации.

Главы 1 и 2 посвящены исследованию и разработке перестраиваемых автогенераторов для гетеродинов РСДБ-конверторов.

В главе 1 даётся оценка современного состояния разработок автогенераторов для гетеродинных систем диапазона 100ч-1000 МГц е фазовой автоматической подстройкой частоты (ФАПЧ) и формулируются требования к автогенераторам для РСДБ-конверторов. На основе шумовой модели транзистора, предложенной Лиссоном, и эквивалентной схемы автогенератора определяются зависимости спектральной плотности фазовых шумов автогенератора от параметров транзистора и добротности резонансного контура в цепи обратной связи. Оцениваются вклады фазовых шумов, вносимых буферным усилителем, обеспечивающим развязку автогенератора от нагрузки, и элементами в цепи управления частотой автогенератора. Рассчитываются уровни дискретных сетевых компонентов в спектре гетеродинного сигнала.

На основе проведённого анализа предлагаются методики расчёта резонансных контуров и диапазонов перестройки автогенераторов, учитывающие условия минимизации уровней фазовых шумов и дискретных компонентов спектра.

Глава 2 содержит методики выбора и конструкторского расчёта резонансных контуров автогенераторов для РСДБ-конверторов, а также результаты разработки и экспериментального исследования автогенераторов.

Сравниваются параметры автогенераторов диапазона частот 100-И ООО МГц с резонансными контурами на сосредоточенных или полусосредоточенных LC-элементах, на закороченных отрезках коаксиальных и полосковых линий передачи, на четвертьволновых трансформаторах. На основе этого сравнения даются рекомендации по выбору типа контура. Оценивается эффективность введения выходных делителей и умножителей частоты автогенератора.

Далее приводятся результаты разработки и экспериментального исследования ряда автогенераторов, закрывающих частотный диапазон перестройки гетеродина РСДБ-конвертора. Качество автогенераторов сравнивается с последними образцами одной из лучших фирм США - "Mini-Circuits".

В последнем разделе главы рассматриваются автогенераторы фиксированных частот, работающие по принципу затягивания частоты высокодобротного (диэлектрического или кварцевого) резонатора.

Глава 3 содержит результаты разработки и экспериментального исследования микросборок функциональных узлов для каналов усиления и передачи широкополосных (100-И ООО МГц) сигналов промежуточных частот. Рассматриваются функциональные схемы и электрические характеристики трёх видов функциональных узлов: магистральных усилителей с регулируемым усилением и коррекцией неравномерности затухания сигналов в линии, широкополосных регулируемых каналов РСДБ-конвертора и широкополосного линейного тракта РМИ с расширенным динамическим диапазоном. Приводятся конструкторские и эксплуатационные параметры созданных функциональных узлов.

В главе 4 рассматриваются результаты экспериментального исследо

12 вания представленных в главах 2 и 3 узлов в составе радиометров и макетов РСДБ-терминала.

Сравнение с применявшейся ранее аппаратурой отечественных радиотелескопов показывает преимущества предлагаемых микросборок в части широкополосности, динамического диапазона, функций регулировки уровней и селекции сигналов, оперативности управления, эксплуатационной надёжности.

Испытания проводились в лабораториях Института Прикладной Астрономии (ИЛА) РАН и в обсерватории "Светлое". Даются рекомендации по применению полученного научно-технического задела в разработках радиометрической и РСДБ-аппаратуры.

Заключение содержит сжатую формулировку основных результатов диссертационной работы и положения, выносимые на защиту.

Научная новизна и практическая значимость работы.

В работе впервые дан анализ соответствия отечественной элементно-узловой базы, применявшейся в каналах передачи и современным требованиям к радиоастрономической аппаратуре преобразования,, сигналов ПЧ (100-И ООО МГц), и обоснованы требования к новой элементно-узловой базе. Сформулированы требования к функциональным узлам в интегральном микроэлектронном исполнении, применение которых в трактах ПЧ радиотелескопа значительно (в 40 раз) расширяет динамический диапазон аппаратуры, сводит к минимуму вносимые искажения сигналов и аппаратурные потери чувствительности, обеспечивает возможность регулировок уровней сигналов и управление режимами работы аппаратуры по программе, задаваемой центральным компьютером радиотелескопа.

В данной работе определены условия фазовых шумов гетеродинных автогенераторов, используемых в РСДБ-системах преобразования сигналов, и уточнена методика их расчёта с учётом параметров резонансного контура, транзисторов и варикапа. Получено соотношение, связывающее необходимое для перекрытия заданного диапазона частот число автогенераторов и параметры элементов схемы, при которых обеспечивается минимальный уровень шумов. Исследованы различные конструкторско-топологические варианты выполнения резонансных контуров автогенераторов, даны рекомендации по их выбору и расчёту.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что впервые разработан полный комплект взаимно согласованных функциональных узлов для комплектного оснащения радиоастрономических систем усиления, передачи и преобразования широкополосных (100-г1000 МГц) сигналов промежуточных частот, которые обеспечивают соответствие аппаратуры радиотелескопа современным требованиям мирового уровня. Функциональные узлы, разработанные в виде гибридно-интегральных микросборок, использованы в качестве элементно-узловой базы при разработке и изготовлении линий передачи сигналов промежуточных частот, радиометрических измерителей и РСДБ-систем преобразования сигналов для радиотелескопов РСДБ-комплекса "Квазар".

Высокие параметры разработанных узлов позволили использовать их не только в радиоастрономической аппаратуре, но и в широкодиапазонной приёмной аппаратуре контроля радиоизлучений и анализа радиопомех, а также в приёмных устройствах цифровых линий радиосвязи.

Новизна технических решений в части разработки гетеродинных автогенераторов защищена пятью авторскими свидетельствами на изобретения, которые направлены на улучшение конструкции и топологии резонансных контуров, повышения их добротности (и, соответственно, на снижение уровня шумов) и на расширение диапазона перестройки.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 8 статей [10-17], сделано 5 докладов на научно-технических конференциях и семинарах [18-22], получено 5 авторских свидетельств на изобретения [23-27].

В работе [10], выполненной в соавторстве, лично автором диссертации проведены разработка, настройка и испытания коммутаторов, усилителей с расширенным динамическим диапазоном, управляемых аттенюаторов и гибридных микросборок магистрального усилителя и широкополосного канала радиометрического измерителя.

В работе [11] автору диссертации принадлежат разработка, настройка и испытания микросборок автогенераторов и широкополосного канала конвертора.

В [12-16] и [18-21] отражены разработки, выполненные группой специалистов под руководством автора диссертации. При этом во всех случаях он лично проводил схемотехническую разработку автогенераторов, предлагал принцип конструирования и участвовал в процессе конструирования и изготовления образцов, разрабатывал методики экспериментальных исследований и участвовал в их проведении.

Изобретения [23-27] созданы в результате совместной творческой разработки соавторов с равным долевым участием, причём основной вклад автора диссертации относится к схемотехническим принципам заявленных устройств. Тексты описаний по всем заявкам на изобретения написаны автором лично.

Материалы по разделам диссертационной работы были апробированы на семинаре ИПА РАН и на межотраслевых конференциях в НИИ "Вектор" (г. Санкт-Петербург), РНИРТИ (г. Ростов-на-Дону), п. я. Х-5885 и п. я. А-3565.

Связь с планом научных работ

Диссертационная работа непосредственно связана с плановыми разработками Федерального Государственного Унитарного Предприятия (ФУГП) "Микротехника" (г. Санкт-Петербург) и Института Прикладной Астрономии Российской Академии Наук (ИПА РАН). Функциональные узлы разработаны на ФУГП "Микротехника" по заданию ИПА РАН, после чего испытаны в радиоастрономической аппаратуре, создаваемой по теме "Квазар".

Некоторые из представленных в диссертации узлов и другие аналогичные узлы, созданные по предложенным в диссертации методикам, использованы также в плановых работах, проводимых на ФУГП "Микротехника" во взаимодействии с заводом "Энергия" (г. Санкт-Петербург), с НИИ "Вектор" (г. Санкт-Петербург) и с Радиотехническим институтом им. академика Минца (г. Москва).

4.5. Выводы.

1. Экспериментальное исследование созданных по микроэлектронной гибридно-полосковой технологии узлов диапазона промежуточных частот (100+1000 МГц) подтвердило возможность и целесообразность их применения в современной радиоастрономической аппаратуре, а именно, в трактах передачи ПЧ и в широкополосных каналах РМИ и СПС.

2. Создание микросборки магистрального усилителя позволяет расширить динамический диапазон тракта передачи сигналов ПЧ (примерно на 16 дБ) и увеличить отношение сигнал/шум в аппаратуре СПС и РМИ примерно на 20 дБ и более, что практически исключает какие-либо потери чувствительности из-за шумов этих устройств. Без этих усилителей отношение сигнал/шум может снизиться до 8 дБ (с учётом разброса параметров РПУ и узлов линии передачи), что ведёт к потерям чувствительности до 15%. Одновременно расширяется и динамический диапазон широкополосного измерительного тракта радиометра (примерно 16 дБ), что расширяет возможности радиометрических наблюдений.

3. Использование разработанных микросборок позволяет расширить динамический диапазон измерительных каналов радиометра и РСДБ-конверторов, уменьшить искажения и потери когерентности сигналов за счёт получения малой неравномерности АЧХ и практически линейной ФЧХ. Возможность установки уровней сигналов позволяет оптимизировать режимы работы последующих устройств - квадратурных преобразователей частоты в конверторах и квадратичных детекторов в радиометрах. Встроенные регулировки обеспечивают возможность дистанционного управления аппаратурой от центрального компьютера радиотелескопа.

4. Создание ряда ГУН позволило разработать первые гетеродины для конверторов диапазона 100+1000 МГц с низким уровнем фазовых шумов.

5. Созданная номенклатура узлов достаточна для решения всех задач передачи сигналов ПЧ и их усиления в широкополосных линейных трактах радиоастрономической аппаратуры. Интегральное исполнение узлов позволяет исключить множество разъёмных соединений элементов схемы, что упрощает эксплуатацию аппаратуры и улучшает АЧХ и ФЧХ трактов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведённых исследований и разработок создана новая элементно-узловая база для каналов передачи и усиления широкополосных радиоастрономических сигналов на промежуточных частотах (100ч-1000 Ml ц), включая усилители с расширенным динамическим диапазоном, коммутаторы и аттенюаторы диапазона ПЧ, управляемые магистральные усилители коаксиальных линий передачи с коррекцией неравномерности затухания сигналов, широкополосные линейные тракты РСДБ-систем преобразования сигналов, широкополосные усилительные каналы радиометрических измерителей и перестраиваемые автогенераторы диапазона ПЧ для гетеродинов РСДБ-конверторов.

Новая элементно-узловая база, разработанная по интегрально-гибридной технологии, представляет собой функционально законченный ряд узлов диапазона ПЧ (100ч-1000 МГц) для современной радиоастрономической аппаратуры, который решает следующие задачи:

• расширение диапазона частот радиометрических и РСДБ-терминалов до 1000 МГц и их совмещение с перспективными зарубежными терминалами (Mark 4, VLBA 4);

• расширение динамического диапазона тракта ПЧ по крайней мере на 16 дБ, что практически исключает возможность появления амплитудных искажений принимаемого сигнала и существенно облегчает эксплуатацию РСДБ-терминалов и радиометров при смене рабочих диапазонов частот криоэлектронных РПУ или иных условий проведения наблюдений;

• обеспечение возможности создания РСДБ-конверторов, соответствующих уровню лучших зарубежных аналогов (Mark 4, VLBA 4), на основе использования разработанных микросборок широкополосного канала ПЧ и коммутируемых ГУН с низким уровнем фазовых шумов;

• возможность оперативных регулировок уровней сигналов во всех каналах передачи и преобразования сигналов промежуточных частот с целью оптимизации режимов работы РМИ и СПС, снижения потерь когерентности сигналов при РСДБ-наблюдениях и потерь чувствительности при радиометрии;

• улучшение эксплуатационных характеристик аппаратуры радиотелескопа за счёт замены множества узлов интегрально-гибридными микросборками;

• возможность воспроизводства разработанной аппаратуры на отечественной производственной базе, её ремонта и профилактического обслуживания при эксплуатации.

Экспериментальное исследование функциональных узлов в составе комплекса РСДБ-аппаратуры подтвердило высокое качество разработки. Разработанные микросборки применяются в аппаратуре передачи сигналов промежуточных частот, в программируемых радиометрах и РСДБ-конверторах, созданных в ИЛА РАН для оснащения радиотелескопов комплекса "Квазар" (обсерватории "Светлое" и "Зеленчукская").

Кроме того, некоторые из представленных узлов и их аналоги, разработанные автором, применяются в приёмных устройствах контроля радиоизлучений и помех, а также в аппаратуре приёма сигналов систем радиосвязи.

На защиту выносятся: 1. Функционально законченный ряд интегральных гибридно-полосковых узлов для широкополосных систем передачи сигналов ПЧ (100-г1000 МГц) на радиотелескопе, включая магистральные усилители линий передачи ПЧ, широкополосные каналы РСДБ-конверторов и радиометрических устройств, коммутирующие устройства и управляемые аттенюаторы. Применение разработанных узлов обеспечивает расширение динамического и частотного диапазонов радиоастрономической аппаратуры, улучшение равномерности коэффициента передачи сигналов в полосе частот, регулировку уровней сигналов от центрального компьютера радиотелескопа (для оптимизации режимов работы СПС и РМИ);

2. Ряд перестраиваемых автогенераторов с низким уровнем фазовых шумов для гетеродинов РСДБ-конверторов;

3. Методика расчёта резонансных систем ГУН, обеспечивающая минимизацию шумов гетеродина РСДБ-конвертора;

1. Губанов B.C., Фннкельштейн A.M., Фридман П.А. Введение в радиоастрометрию. - М.: Наука, 1983.

2. Томпсон Р., Моран Дж., Свенсон Дж. Интерферометрия и синтез в радиоастрономии. Пер. с англ. М.: Мир, 1989.

3. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры,- М.: Наука, 1973.

4. Иванов Д.В., Ипатов А.В., Ипатова И.А., Мардышкин В.В., Михайлов А.Г. Приемники радиоинтерферометрической сети КВАЗАР. "Труды ИПА РАН". Вып.2. "Техника радиоинтерферометрии".- СПб: ИПА РАН, 1997, 242-256.

5. Горновесов С.Ю., Климов С.Д., Кольцов Н.Е., Царев В.И. Система преобразования и регистрации сигналов в диапазоне промежуточных частот радиоинтерферометра. "Сообщения ИПА РАН", N 83,- СПб.: ИПА РАН, 1995.

6. Манассевич В. Синтезаторы частот (Теория и проектирование): Пер. с англ. под ред. А.С. Галина М.: Связь, 1979.

7. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. М.: Радио и связь, 1991.

8. Lesson D.B. A simple model of feedback Oscillator noise spectrum. Proc. of the IEEE, vol.54, N2, 1966.

9. Takaoka A., Ura K. Noise analysis of nonlinear feedback oscillator with AM-PM conversion coefficient. IEEE Trans., vol. MTT-28, N6, 1980, p.855-862.

10. Ипатов A.B., Кольцов H.E., Лубешкин Н.Г. Новая элементно-узловая база широкополосных каналов промежуточных частот радиотелескопа. "Сообщения ИПА РАН", № 133, СПб, 2000.

11. Климов С.Д., Кольцов Н.Е., Лубешкин Н.Г., Федотов Л.В. Конвертор модульной РСДБ системы преобразования сигналов. "Сообщения ИПА РАН", № 134, СПб, 2000.

12. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н., Елизаров М.В. О повышении стабильности частоты транзисторного автогенератора СВЧ с электронной перестройкой. "Вопросы радиоэлектроники", сер. "Радиолокационная техника", № 7, 1977.

13. Лубешкин Н.Г., Кроуз К.М. Определение среднеквадратичного набега частоты и фазы СВЧ генераторов за малые промежутки времени. Депонированная статья № 3-6100, МРС сер. ЭР. № 20, ВИМИ, М.:,1978

14. Лубешкин Н.Г., Бахматова О.И. Елизаров М.В., частотные шумы полупроводниковых генераторов СВЧ. Депонированная статья №3-6062, МРС, сер. ЭР, № 26, ВИМИ, М.: 1979.

15. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н., Елизаров М.В., Конструирование транзисторного СВЧ генератора с полосой перекрытия выше октавы. "Вопросы радиоэлектроники", сер. ХП , № 12, 1974.

16. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н., Елизаров М.В., Гавриченкова И.В. Перестраиваемый транзисторный автогенератор дециметрового диапазона. "Техника средств связи", сер. "Общетехническая", № 4, 1976.

17. Лубешкин Н.Г. Экспериментальное исследование воздействия внешнего СВЧ сигнала на генератор шумовых колебаний на диоде Ганна. "Техника средств связи", сер. "Общетехническая", № 4, 1979.

18. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н. Генераторный модуль СВЧ с варикапной перестройкой частоты. "Проектирование и конструирование МЭА. Перспективы развития. Тезисы конференции", М., п. я. Х-5885, 1983.

19. Лубешкин Н.Г., Байков А.Д., Елизаров М.В., Любимова И.И. Диодный генератор с охлаждённым стабилизирующим резонатором. "Тезисы XII научно-технической конференции по бортовым РПУ". НИИ "Вектор", уч. № 5/2732, Л., 1978.

20. Лубешкин Н.Г., Елизаров М.В., Прохоренко А.В. Стабилизированный гетеродин на диоде ЗА 705 с внешней синхронизацией частоты (тезисы доклада). "Материалы Ш Всесоюзного семинара по твёрдотельным СВЧ генераторам РНИРТИ, Ростов-на-Дону, 1973.

21. Лубешкин Н.Г. Ряд полупроводниковых диапазонных гетеродинов СВЧ (тезисы доклада). "Материалы XI научно-технической конференции", М., А-3565, 1977.

22. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н. Генератор качающейся частоты. Авторское свидетельство на изобретение № 657579, с приор, от 06.09.76, 1978.

23. Лубешкин Н.Г., Баранова Н.Н., Елизаров М.В. Сверхвысокочастотный генератор. Авторское свидетельство № 623462 от 4Д 1.76., 1978.

24. Лубешкин Н.Г., Бахматова O.K. Генератор сверхвысоких частот. Авторское свидетельство на изобретение № 854255 с приор. От 9.01.80., 1981.

25. Лубешкин Н.Г., Ульянова Е.А. Генератор сверхвысоких частот. Авторское свидетельство на изобретение № 826918, 1981.

26. Лубешкин Н.Г., Лагутин В.Ф. Генератор СВЧ. Авторское свидетельство на изобретение № 1166261, 1985.

27. Зайцев А.А., Савельев Ю.Н. Генераторные СВЧ транзисторы. М.: Радио и связь, 1985.

28. Данилин В.Н., Кушниренко А.И., Петров П.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ.- М.: Радио и связь, 1985.

29. Lesson D.B. Short-term stable microwave sources. Microwave J., vol.13, N6, 1970, p.59-69.

30. David A. Warren, J. Michel Golio, Warren L. Seely. Large and small signal oscillator analysis. "Microwave J.", vol. 32, № 5, 1989, pp. 229-246.

31. Желуд В., Кулешов В.И. Шумы в полупроводниковых устройствах. Под ред. А.К. Нарышкина. М.: Сов. радио, 1977.

32. Чернушенко А. М., Маланченко Н. Е., Малорацкий Л. Г., Петров Б. В. Конструкции СВЧ устройств и экранов. М.: Радио и связь, 1983.

33. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств С.И. Бахарев, В.И. Вольман, Ю.Н. Либ и др.; под ред. В.И. Вольмана. М.: Радио и связь, 1982.

34. Карпов В.М., Малышев В.А., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами. Под ред. А.В. Малышева. М.: Радио и связь, 1984.

35. Беруга И.Ш., Хоменко В.М., Чурсин А.Г. О решении двумерных задач электростатики методом интегральных уравнений. В кн.: Машинное проектирование устройств и систем СВЧ: Межвуз. сб. трудов МИРЭА-М., 1979.

36. Pucel R., Masse D., Hartwiq С. Losses in microstrip.- IEEE Trans, 1968, v.MTT-16, N6, p.342-350.

37. Fucel R., Masse D., Hartwiq C. Correction to "Losses in microstrip".- IEEE Trans, 1968, v.MTT-16, N12, p.1064.

38. Ганстон M.A.P. Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ. Пер. с англ. Под ред. А.З. Фрадина. М.: Связь, 1976.

39. Малорецкий Л.Г. Микроминиатюризация элементов и устройств СВЧ. -М.:Сов. радио, 1976.

40. Красноперкин В.М., Самохин Г.С., Силин Р.А. Анализ характеристик подвешенной и обращенной полосковых линий. "Электронная техника", сер.1 "Электроника СВЧ", 1981, N12, с.32-38.

41. Лукашов В.М. Расчет параметров высокодобротных несимметричных полосковых волноводов. "Вестник АН БССР", сер. "Физико-технические науки", 1978, N1, с.112-116.

42. Kitchen Y. Octave bandwidth varactor-tuned oscillators. ""Microwave J.", vol. 30, №5, 1987, pp.343-353.44. 15 to 2120 MHz VCO's ("Mini-Circuits"). "Microwave J.", № 2, 1999, p. 161.

43. Miniature surface mount VCO's ("Mini-circuits"). "Microwave J", № 4, 1999, p. 79

44. Алексеев М. А., Касьянов Ю. П., Кольцов Н. Е. Широкодиапазонные синтезаторы СВЧ с автогенераторами на ЖИГ-резонаторах. "Вопросы радиоэлектроники", сер. "Техника излучения и приёма радиосигналов", № 1, 1990, с.11-15.

45. Кольцов Н. Е. Чувствительность и точность цифровых радиометров. "Труды ИПА РАН", вып. 2 "Техника радиоинтерферометрии", ИЛА РАН, СПб, 1997, с. 95-110c.f c-f- о/