Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона

Предмет и цель работы: Приводятся описание оригинальных технических решений твердотельных высокостабильных гетеродинов миллиметрового диапазона и результаты исследования основных характеристик разработанных устройств. Цель работы – разработка малогабаритных стабилизированных генераторов с малой пот...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2019
Автори:	Мышенко, В.В., Шульга, В.М., Королев, А.М., Карелин, Ю.В., Чечёткин, Д.Л., Антюфеев, А.В., Патока, А.Н.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2019
Назва видання:	Радіофізика і радіоастрономія
Теми:	Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167755
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона / В.В. Мышенко, В.М. Шульга, А.М. Королев, Ю.В. Карелин, Д.Л. Чечёткин, А.В. Антюфеев, А.Н. Патока // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 144-153. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-167755
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1677552020-04-09T01:26:08Z Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона Мышенко, В.В. Шульга, В.М. Королев, А.М. Карелин, Ю.В. Чечёткин, Д.Л. Антюфеев, А.В. Патока, А.Н. Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки Предмет и цель работы: Приводятся описание оригинальных технических решений твердотельных высокостабильных гетеродинов миллиметрового диапазона и результаты исследования основных характеристик разработанных устройств. Цель работы – разработка малогабаритных стабилизированных генераторов с малой потребляемой мощностью для использования в составе супергетеродинных приемников 2-мм и 3-мм диапазонов для аэрономических исследований. Предмет і мета роботи: Наведено опис оригінальних технічних рішень твердотільних високостабільних гетеродинів міліметрового діапазону і результати дослідження основних характеристик розроблених пристроїв. Мета роботи – розробка малогабаритних стабілізованих генераторів з малою споживаною потужністю для використання в складі супергетеродинних приймачів 2-мм і 3-мм діапазонів для аерономічних досліджень. Purpose: A description of the original technical solutions of the solid-state highly stable local oscillators of the millimeter range and the results of the study of the main characteristics of the developed devices are given. The goal of the work is the development of small-sized stabilized generators with low power consumption for the use in the composition of superheterodyne receivers of the 2 mm and 3 mm ranges for aeronomic research. 2019 Article Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона / В.В. Мышенко, В.М. Шульга, А.М. Королев, Ю.В. Карелин, Д.Л. Чечёткин, А.В. Антюфеев, А.Н. Патока // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 144-153. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1027-9636 PACS numbers: 95.85.Bh, 97.10.Bt, 98.38.Ez DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.02.144 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167755 537.962:621.382.32 ru Радіофізика і радіоастрономія Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки
spellingShingle	Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки Мышенко, В.В. Шульга, В.М. Королев, А.М. Карелин, Ю.В. Чечёткин, Д.Л. Антюфеев, А.В. Патока, А.Н. Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона Радіофізика і радіоастрономія
description	Предмет и цель работы: Приводятся описание оригинальных технических решений твердотельных высокостабильных гетеродинов миллиметрового диапазона и результаты исследования основных характеристик разработанных устройств. Цель работы – разработка малогабаритных стабилизированных генераторов с малой потребляемой мощностью для использования в составе супергетеродинных приемников 2-мм и 3-мм диапазонов для аэрономических исследований.
format	Article
author	Мышенко, В.В. Шульга, В.М. Королев, А.М. Карелин, Ю.В. Чечёткин, Д.Л. Антюфеев, А.В. Патока, А.Н.
author_facet	Мышенко, В.В. Шульга, В.М. Королев, А.М. Карелин, Ю.В. Чечёткин, Д.Л. Антюфеев, А.В. Патока, А.Н.
author_sort	Мышенко, В.В.
title	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
title_short	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
title_full	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
title_fullStr	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
title_full_unstemmed	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
title_sort	гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2019
topic_facet	Прикладні аспекти радіоастрономії, радіофізики та електроніки
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167755
citation_txt	Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона / В.В. Мышенко, В.М. Шульга, А.М. Королев, Ю.В. Карелин, Д.Л. Чечёткин, А.В. Антюфеев, А.Н. Патока // Радіофізика і радіоастрономія. — 2019. — Т. 24, № 2. — С. 144-153. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series	Радіофізика і радіоастрономія
work_keys_str_mv	AT myšenkovv geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT šulʹgavm geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT korolevam geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT karelinûv geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT čečëtkindl geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT antûfeevav geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona AT patokaan geterodinyaéronomičeskihpriemnikovmillimetrovogodiapazona
first_indexed	2025-07-15T01:28:05Z
last_indexed	2025-07-15T01:28:05Z
_version_	1837674412236603392
fulltext	ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019144 Радіофізика і радіоастрономія. 2019, Т. 24, № 2, c. 144–153 ÏÐÈÊËÀÄÍ² ÀÑÏÅÊÒÈ ÐÀÄ²ÎÀÑÒÐÎÍÎÌ²¯, ÐÀÄ²ÎÔ²ÇÈÊÈ ÒÀ ÅËÅÊÒÐÎÍ²ÊÈ В. В. МЫШЕНКО, В. М. ШУЛЬГА, А. М. КОРОЛЕВ, Ю. В. КАРЕЛИН, Д. Л. ЧЕЧЁТКИН, А. В. АНТЮФЕЕВ, А. Н. ПАТОКА Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Мыстэцтв, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: k_w_m@ukr.net ÃÅÒÅÐÎÄÈÍÛ ÀÝÐÎÍÎÌÈ×ÅÑÊÈÕ ÏÐÈÅÌÍÈÊÎÂ ÌÈËËÈÌÅÒÐÎÂÎÃÎ ÄÈÀÏÀÇÎÍÀ Предмет и цель работы: Приводятся описание оригинальных технических решений твердотельных высокостабильных гетеродинов миллиметрового диапазона и результаты исследования основных характеристик разработанных уст- ройств. Цель работы – разработка малогабаритных стабилизированных генераторов с малой потребляемой мощно- стью для использования в составе супергетеродинных приемников 2-мм и 3-мм диапазонов для аэрономических исследо- ваний. Методы и методология: Созданные гетеродины основаны на многократном умножении опорного сигнала с фазовой автоподстройкой частоты. Выходной генератор на диоде Ганна работает без варактора, с перестройкой по часто- те путем изменения напряжения на диоде. Для измерения спектральных характеристик использовался тестовый сигнал отдельного высокостабильного гетеродина астрономического приемника. Регистрация спектра сигнала исследуемого гетеродина осуществлялась параллельным фурье-анализатором спектра с частотным разрешением 1 кГц/канал. Методы исследования прочих базовых характеристик – стандартные методы радиоизмерений. Результаты: Разработаны и протестированы компактные источники гетеродинного сигнала миллиметрового диапа- зона длин волн с низкой потребляемой мощностью (менее 20 Вт). Выходная мощность генераторов – не менее 50 мВт. Измеренная относительная нестабильность частоты лучше 810 при работе с термостатированным кварцевым опорным источником. Временной ресурс непрерывной работы превышает 2 года. Заключение: Относительная нестабильность частоты 8(10 ) и выходная мощность (более 50 мВт) представленных генераторов соответствуют характеристикам промышленных прецизионных генераторов миллиметрового диапа- зона, при этом разработанные устройства экономичнее, компактнее и дешевле. Ряд предложенных схемных и конст- руктивных решений может использоваться проектировщиками аналогичной техники в миллиметровом диапазоне длин волн. Ключевые слова: миллиметровые волны, гетеродин, экономичность, стабильность, фазовая автоподстройка частоты DOI: https://doi.org/10.15407/rpra24.02.144 УДК 537.962:621.382.32 PACS numbers: 95.85.Bh, 97.10.Bt, 98.38.Ez 1. Ââåäåíèå В список актуальных задач современной аэроно- мии входит изучение атмосферных процессов методами дистанционного зондирования с поверх- ности Земли в микроволновом диапазоне. Эти методы позволяют проводить исследования в ин- тервале высот 30 100 км, труднодоступном для иных методов. Объектом изучения методами микроволново- го дистанционного зондирования является дина- мика малых газовых составляющих атмосферы, в частности озона 3O и окиси углерода СО. Пред- мет изучения – параметры спектральных линий излучения, в которых содержится информация о физических и химических процессах в атмосфере. В настоящее время в мире работает ряд аэроно- мических станций со спектральной аппаратурой дистанционного зондирования [1–4]. Аппаратура, методики наблюдения и математические моде- ли активно совершенствуются. Основу спектральных радиочастотных инст- рументов составляют малошумящие супергете- родинные приемники. Назначение приемника – ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 145 Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона усиление сигнала и перенос его спектра в диапа- зон, удобный для обработки параллельными фу- рье-анализаторами спектра [5, 6]. В Радиоастрономическом институте НАН Украины также ведется мониторинг 3O и СО. С учетом геолокализации (г. Харьков), интенсив- ности спектральных линий и чувствительности приемника, линию озона оптимально наблюдать на частоте 142 ГГц. Для молекулы СО оптимум находится на частоте около 115 ГГц. Общие опи- сания конструкций наших инструментов, а также некоторые результаты аэрономических измере- ний представлены в ряде публикаций [7–10]. В настоящей работе предлагается более подроб- ное рассмотрение одного из важнейших узлов приемников – гетеродина. С одной стороны, опи- сание структуры и параметров гетеродинов яв- ляется обязательным условием принятия меж- дународным научным сообществом спектроско- пической информации как достоверной. С другой стороны, ряд оригинальных технических решений, на взгляд авторов, может оказаться полезным ши- рокому кругу разработчиков прецизионной прием- ной техники миллиметрового диапазона. Для удешевления конструкции в большинстве случаев приемные системы в коротковолновой части миллиметрового диапазона предполагают либо наличие субгармонического смесителя, либо умножителя частоты 0F исходного источникаа гетеродинного сигнала. Мы применили утроитель частоты, и 0F составляет 46.9 ГГц 3(O ) или 37.9 ГГц (СО) при промежуточной частоте 1.5 ГГц. Генераторы на такие частоты можно найти сре- ди коммерчески доступных устройств синтеза- торного типа. Если габариты и потребляемая мощность прибора не имеют принципиального значения, то может использоваться промышлен- ный синтезатор. Если гетеродин как часть мо- бильной аэрономической станции должен быть ма- логабаритным, термостабильным, иметь низкое энергопотребление, то универсальный синтезатор уже не представляется оптимальным решением. К тому же стоит принимать во внимание эконо- мический аспект: широкополосные (включая мил- лиметровый диапазон) прецизионные синтезато- ры относятся к классу дорогих измерительных приборов, при том что в роли гетеродина боль- шинство их опций не востребованы. Основываясь на общефизических соображе- ниях, доступных данных (см., например, [1–4]) и собственном опыте в спектральной радиоастро- номии и аэрономии, сформулируем ряд базовых требований к гетеродинам. 1. Относительная нестабильность частоты 8 1 5 10 .scF F    Здесь scF – ширина канала анализатора спектра, 1F – центр спектральной линии. В свою очередь, scF определяется типом аэрономической задачи и обычно лежит в преде- лах 550 кГц. 2. Чистота спектра – интегральный параметр, характеризующий относительный уровень шумов и любых гармонических компонент в полосе ана- лизатора спектра. Достаточным значением это- го параметра считается –30 дБ от мощности несущей, что соответствует точности измерения параметров спектральной линии не хуже 0.1 %. 3. Мощность выходного сигнала – не менее 50 мВт, с учетом эффективности утроителей частоты [11] и потерь в диплексоре [9, 10]. 4. Электронная перестройка частоты – не менее 20 МГц. Это опция, важная для организа- ции режима радиометрии по принципу частотной модуляции при исследовании узких спектральных линий, таких как СО. 5. Потребляемая мощность для интервала окружающей температуры от –20 до 35 C  при термостатировании элементами Пельтье (20 C) не должна превышать 10 20 Вт (п. 5 и п. 6 вза- имосвязаны). В противном случае потребляемая (и отводимая) мощность холодильной системы уходит за пределы сотен ватт, делая мобильность всей приемной системы условной. 6. Габариты: объем корпуса не должен замет- но превышать 31 дм . 7. Ресурс непрерывной работы – не менее года (режим мониторинга). Некоторые дополнительные требования будут формулироваться далее, при описании общей блок-схемы, схем и принципов работы важней- ших узлов. 2. Ôóíêöèîíàëüíàÿ ñõåìà В рамках настоящей работы были разработаны и построены 2 гетеродина для приемников 2-мм и 3-мм диапазонов, функциональные схемы которых идентичны (рис. 1). Утроитель частоты и диплек- сор, обеспечивающие подвод сигнала гетеродина к смесителю, конструктивно располагаются в бло- ке приемника [9, 10], и на рис. 1 они не отражены. 146 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 В. В. Мышенко и др. Блок гетеродина, выполненный в виде отдельной конструкции, представляет собой генератор на диоде Ганна (см. рис. 1), работающий на частоте 46.9 ГГц 3(O ) или 37.9 ГГц (СО). Стабильность частоты этих генераторов обеспечивается сис- темой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) по высокостабильному сигналу источника опор- ной частоты. Это может быть, например, тер- мостатированный кварцевый генератор, рубиди- евый стандарт частоты, сигнал GPS. В любом случае частота опорного сигнала составляет 5 или 10 МГц. В системах ФАПЧ используются 3 ступени по- вышения частоты от 5 МГц до 37.9 или 46.9 ГГц. Две низкочастотных ступени (до 5 ГГц) вы- полнены по схеме с прямым делением частоты (ADF4001 и ADF4107). При этом первая ступень имеет небольшой коэффициент умножения час- тоты (от 5 до 27 МГц). Одновременно на этой ступени выполняется чистка спектра сигнала опорной частоты и формируется сигнал, который затем умножается с высокой кратностью. В ка- честве генератора на этой ступени используется кварцевый генератор, управляемый напряже- нием (кварцевый ГУН 27 МГц, см. рис.1), обла- дающий низким уровнем фазовых шумов даже при небольшой отстройке от несущей ( 1 кГц). Полоса замкнутой системы ФАПЧ этого каска- да не более 1.5 кГц. Дополнительная чистка спек- тра обеспечивается узкополосными кварцевы- ми фильтрами на входе и выходе системы (5 и 27 МГц соответственно). Вторая ступень умножения частоты выполне- на на синтезаторе типа ADF4107 и генераторе (ROS5363С-119+). Сигнал этого генератора, от- личающегося пониженным уровнем фазовых шумов, служит опорой для последующего кольца умножения частоты. В настоящее время коммерческие микросхе- мы делителей частоты, работающие на часто- тах выше 20 ГГц, отсутствуют, поэтому третья ступень умножения частоты выполнена по схе- ме ФАПЧ со стабилизацией промежуточной частоты. При этом сигнал твердотельного гене- ратора ( 5 ГГц) подается на гармонический сме- ситель, где 7-я (или 9-я) гармоника смешивается с сигналом, ответвленным от выходного генера- тора на диоде Ганна. Направленный ответвитель выполнен на скрещенных волноводах и имеет пе- реходное ослабление 15 дБ. Ответвители такого типа имеют малые габариты, что немаловажно при компоновке гетеродина в целом. Полученный на выходе гармонического сме- сителя сигнал промежуточной частоты усили- вается, а затем обрабатывается в системе ФАПЧ генератора Ганна. Рис. 1. Функциональная схема гетеродинов ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 147 Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона При построении схем гетеродинов промежуточ- ная частота выбиралась небольшой (десятки ме- гагерц), и схема ФАПЧ этой ступени повышения частоты реализована на микросхеме ADF4001. В качестве опорного сигнала для этой петли ФАПЧ служит выходной сигнал синтезатора пря- мого цифрового синтеза частоты AD9834 [12] (СПЦС, см. рис.1). Применение СПЦС позво- ляет очень точно устанавливать требуемое зна- чение частоты выходного генератора, осуществ- лять его оперативную перестройку с малым шагом и обеспечивать модуляцию частоты. Используемый синтезатор прямого синтеза ана- логичен предложенному в работе [13]. Тактовый генератор для СПЦС ( 50 МГц) может быть выполнен на кварцевом ГУН с системой ФАПЧ, так же как и для первой ступени повышения частоты. Однако коэффициент умножения этого сигнала по частоте невелик, поэтому мы исполь- зовали в качестве тактового генератора нетермо- статированный кварцевый генератор (КXO-200), имеющий относительную нестабильность часто- ты не хуже 20 ррm. Выходная частота СПЦС может быть установлена с высокой степенью точности и может оперативно изменяться (ре- жим частотной модуляции). Все используемые микросхемы синтезаторов частот требуют программирования после вклю- чения. Эту функцию выполняют микроконтрол- леры ATtiny25. Ниже приводится описание отдельных узлов, технические решения которых могут представ- лять самостоятельный интерес для разработчи- ков соответствующей техники. 3. Âûõîäíîé ãåíåðàòîð ÑÂ× Для нормальной работы умножителя частоты необходимо, чтобы выходная мощность сигнала гетеродина была не менее 50 мВт на частотах 37.9 ГГц (СО) и 46.9 ГГц 3(O ). Для получения максимальной мощности генератора СВЧ была выбрана конструкция генератора на диоде Ганна, электронная перестройка частоты которого (в пре- делах десятков мегагерц) осуществлялась путем изменения напряжения на генераторном диоде. Выходная мощность при такой перестройке изме- няется незначительно. Начальная настройка на центральную частоту обеспечивается перемеще- нием короткозамыкающего поршня волноводного канала генераторной секции. В генераторах исполь- зовались диоды типа ЗА727А (37.9 ГГц) и ЗА727Г (46.9 ГГц) в оптимизированных волноводных сек- циях сечением 27.2 1.1 мм и 23.6 1.0 мм соот- ветственно. Напряжение питания подводилось к диоду через коаксиальный фильтр-пробку. Экспериментально было установлено, что при смещении диода от среднего положения вверх или вниз по высоте волновода знак электронной перестройки изменяется. При этом система ФАПЧ корректно работает только при положи- тельном знаке крутизны перестройки (с ростом напряжения на диоде частота генерируемого сигнала растет). При отрицательной крутизне перестройки получить захват системы ФАПЧ было невозможно. Этот эффект следует учиты- вать при смене диода Ганна. Диапазон электрон- ной перестройки генераторов составляет 100 МГц при напряжении на диоде Ганна 3.0 4.2 В (3А727А) и 70 МГц при напряжении 2.8 3.6 В (3А727Г). Изменение выходной мощности во всем диапазоне электронной перестройки не превы- шает 20 %. В обоих генераторах применялись волноводные вентили типа ФВВ1-21 (37.9 ГГц) и ФВВ1-42Б (46.9 ГГц). Ввиду того что циркуляторный вен- тиль ФВВ1-42Б имеет узкую рабочую полосу частот, он подстраивался на нужную частоту путем изменения магнитного поля. На генераторной секции со стороны фильтра- пробки (ввода питания) располагалась плата бу- ферного усилителя сигнала ошибки (рис. 2). Этот усилитель представляет собой эмиттер- ный повторитель Q1 – усилитель тока, с элемен- тами (U1 и D2) поддержания минимального (обес- печивающего генерацию) напряжения на диоде Ганна. Тепловыделяющие элементы (транзистор КТ972A и стабилизатор минимального напряже- ния LM317Т), а также волноводные генератор- ные секции имеют тепловую связь с корпусом блока гетеродина. R1 и C1 являются элементами фильтра системы ФАПЧ. 4. Ãàðìîíè÷åñêèé ñìåñèòåëü Принципиальная схема гармонического смесите- ля показана на рис. 3. Он состоит из усилителя опорного сигнала (Q1), собственно смесителя (D1), предварительного усилителя промежуточной частоты (Q2). 148 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 В. В. Мышенко и др. Смеситель выполнен по однодиодной схеме (АА123А) в волноводной секции cечением 25.2 2.6 мм с короткозамыкающим поршнем. Отказ от балансной схемы, обычной для устройств такого рода, обусловлен стремлением к удешевле- нию конструкции и желанием использовать корпус- ные диоды, надежные и не требующие герметиза- ции всего узла. Проникновение сигнала гетеродина на выход смесителя предотвращается конструктив- ным коаксиальным ступенчатым фильтром. Рис. 2. Буферный усилитель сигнала ошибки Рис. 3. Принципиальная схема гармонического смесителя ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 149 Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона В непосредственной близости от смеситель- ного диода расположены буферный усилитель опорного сигнала и предварительный усилитель сиг- нала промежуточной частоты. Электрическая длина полоскового тракта смеситель – сток Q1 не превышает половины длины волны опорного сигнала, что исключает возникновение волнового процесса в тракте и резко упрощает согласо- вание импедансов смесителя и усилителя опор- ного сигнала. Коэффициент усиления усилителя опорного сигнала близок к 5 дБ, полоса рабочих частот составляет 2 6 ГГц. В усилителе опор- ного сигнала использован комплексный способ обеспечения устойчивости гетероструктурно- го полевого транзистора. Помимо стандартного способа (резистор в стоке Q1), безусловная ус- тойчивость обеспечивается специально органи- зованным ненасыщенным режимом постоянного тока [14, 15]. Усилитель сигнала промежуточной частоты имеет коэффициент усиления 23 дБ при полосе рабочих частот 10 150 МГц. Элементы С3 и L1 образуют простейший дип- лексор, исключающий взаимное шунтирование выхода усилителя опорного сигнала и входа уси- лителя промежуточной частоты. Измеренные значения коэффициента преобра- зования равны –30 и –35 дБ для гармоник 7 и 9 соответственно. Подводимая мощность опорно- го сигнала – 1 мВт. Потребляемый ток – 70 мА при напряжении питания 12 В. Гармонический смеситель выполнен в виде отдельного модуля. Его настройка сводится к установлению оптимального положения поршня смесителя по минимуму напряжения в точке “А” при наличии сигнала опорной частоты. 5. Êîíñòðóêöèÿ ãåòåðîäèíîâ Конструктивно все узлы гетеродина, за исключе- нием блока питания и источника опорной часто- ты, (см. рис. 4) размещены в едином корпусе с размерами 100 100 170  мм. На переднем торце корпуса расположен волно- водный выход энергии СВЧ, на заднем – разъе- мы питания, опорной частоты и сигнала модуля- ции, индикаторы рабочего состояния гетеродина и ручка механической перестройки частоты выходного генератора. Все узлы гетеродина выполнены в отдельных металлических корпусах, обеспечивающих экра- нировку устройств. Блочное построение позво- ляет минимизировать взаимное влияние узлов, в составе которых имеется несколько генерато- ров существенно различных частот. Последние, естественно, выбирались таким образом, что- бы взаимное влияние генераторов было мини- Рис. 4. Общий вид гетеродина 150 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 В. В. Мышенко и др. мальным. Каждая ступень повышения частоты, представляющая собой кольцо ФАПЧ, имеет све- тодиодный индикатор захвата ФАПЧ, а верхняя ступень дополнена еще и стрелочным индикато- ром, показывающим напряжение на генератор- ном диоде Ганна. В разработанной конструкции при температу- ре окружающей среды 20 25 C,   термоста- тирование не требовалось. Однако при экстре- мальных вешних условиях может потребоваться активное термостатирование. Настройка гетеродинов после включения пи- тания и прогрева в течение 0.5 ч состоит в ме- ханической подстройке выходного генератора (с помощью поршня) до срабатывания свето- диодного индикатора. Затем подстройкой при помощи поршня по стрелочному индикатору сле- дует установить нужное деление на шкале, ко- торое соответствует достаточной мощности ге- нератора и показывает, что есть запас по элект- ронной перестройке. 6. Ðåçóëüòàòû èñïûòàíèé è ïðàêòè÷åñêîé ðàáîòû Тестирование изготовленных гетеродинов дало следующие результаты: 1) потребляемая мощность – менее 20 Вт; 2) выходная мощность – не менее 50 мВт; 3) значение быстрой (порядка миллисекунд) электронной перестройки частоты – до 50 МГц; 4) долговременная относительная нестабиль- ность частоты не хуже 810 (определяется ста- бильностью частоты опорного сигнала исполь- зуемого кварцевого термостатированного гене- ратора 5 МГц); 5) время выхода на рабочий режим при тем- пературе окружающей среды 20 C – не более 30 мин. Чистота спектра разработанного гетеродина имеет особо важное значение, т. к. с ней связа- на погрешность измерения параметров линии ат- мосферной примеси (CO или 3O ). Вот почему исследованию чистоты спектра уделялось осо- бое внимание. Ниже, на примере гетеродина для 3-мм приемника, вкратце описана методика из- мерений, представленная ранее в работе [16]. Тестовый сигнал вырабатывался высоко- стабильным гетеродином астрономического приемника, настроенным на частоту линии СО (115.27 ГГц), и подавался (с требуемым зату- ханием) на вход аэрономического приемника. Спектроанализатор на выходе аэрономического приемника работал с частотным разрешением 1 кГц/канал. На выходе спектроанализатора наблюдалась свертка спектров двух генерато- ров, и получаемый результат должен оценивать- ся как оценка сверху. Выходной сигнал спектроанализатора норми- ровался на максимальное значение и представ- лялся в децибелах в зависимости от номера час- тотного канала. Отношение сигнал/шум при из- мерениях было не хуже 40 дБ. Типичный вид сигнала приведен на рис. 5, а (вся полоса спектроанализатора) и рис. 5, б (фрагмент). Ширина канала спектроанализато- ра – 1 кГц, полная полоса обзора – 8 МГц. Рис. 5. Спектр сигнала гетеродина во всей полосе обзора спектроанализатора (а) и увеличенный фрагмент спектра (б) ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 151 Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона Рис. 5, б демонстрирует спектр гетеродина в растянутом виде. По нему можно оценить шири- ну центральной линии и шумовые характеристи- ки спектра гетеродина при отстройке от несущей частоты. Ширина средней линии не превышает 3 кГц по уровню –12 дБ. Эта величина опреде- ляется взаимной кратковременной нестабильнос- тью источников опорных частот астрономическо- го и аэрономического (тестируемого) гетеродинов. Из рис. 5, б видно, что уровень шумов в полосе ФАПЧ не превышает –30 дБ от несущей при спектральном разрешении 1 кГц. Во всей полосе анализатора спектра (8 МГц) не наблюдается каких-либо помех, превышающих этот уровень. Таким образом, приведенный на рис. 5 спектр показывает, что разработанные гетеродины обес- печивают регистрацию исследуемых спектраль- ных линий с достаточной точностью. К настоящему моменту наработка гетероди- нов приемников для наблюдения СО и 3O превы- сила 2 года и 1 год соответственно. 7. Âûâîäû В настоящей работе представлены результаты разработки твердотельных стабилизированных системами ФАПЧ генераторов миллиметрового диапазона. Основное назначение этих генерато- ров – работа в качестве гетеродинов супергете- родинных приемников станций дистанционного зондирования атмосферы. Их относительная не- стабильность частоты 8(10 ) и мощность (более 50 мВт) соответствуют характеристикам про- мышленных прецизионных генераторов (синтеза- торов) миллиметрового диапазона, при этом раз- работанные генераторы экономичнее, компактнее и дешевле. Ряд предложенных схемных и конструктивных решений может использоваться проектировщи- ками аналогичной техники в миллиметровом ди- апазоне длин волн. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 01. Hoffmann C. G., Raffalski U., Palm M., Funke B., Gol- chert S. H. W., Hochschild G., and Notholt J. Observation of strato-mesospheric CO above Kiruna with ground-based microwave radiometry – retrieval and satellite comparison. Atmos. Meas. Tech. 2011. Vol. 4, Is. 11. P. 389–2408. DOI: 10.5194/amt-4-2389-2011 02. Straub C., Espy P. J., Hibbins R. E., and Newnham D. A. Mesospheric CO above Troll station, Antarctica observed by a ground based microwave radiometer. Earth Syst. Sci. Data. 2013. Vol. 5, Is. 1. P. 199–208. DOI: 10.5194/ essd-5-199-2013 03. Hagen J., Murk A., Rüfenacht R., Khaykin S., Hauche- corne A., and Kämpfer N. WIRA-C: a compact 142-GHz- radiometer for continuous middle-atmospheric wind measurements. Atmos. Meas. Tech. 2018. Vol. 11, Is 9. P. 5007–5024. DOI: 10.5194/amt-11-5007-2018. 04. Rüfenacht R., Kämpfer N., and Murk A. First middle- atmospheric zonal wind profile measurements with a new ground-based microwave Doppler-spectro-radiometer. Atmos. Meas. Tech. 2012. Vol. 5, Is. 11. P. 2647–2659. DOI: 10.5194/amt-5-2647-2012 05. Антюфеев А. В., Шульга В. А. Спектроанализатор на базе персонального компьютера. Радиотехника. 2005. № 5. С. 145–148. 06. Karelin Yu. V., Antyufeyev O. V., Myshenko V. V., and Shulga V. M. An FPGA-based fourier FFTS-160 spect- rometer for atmospheric molecular radiation research. Telecomm. Radio Eng. 2017. Vol. 76, Is. 4. P. 305–313. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v76.i4.30 07. Forkman P., Piddyachiy V., Korolev A., Myshenko V., Myshenko A., and Shulga V. An uncooled very low noise Schottky diode receiver front-end for middle atmospheric ozone and carbon monoxide measurements. Int. J. Infrared Millimeter Waves. 2006. Vol. 27, Is. 1. P. 25–35. DOI: 10.1007/s10762-006-9061-3 08. Piddyachiy V. I., Shulga V. M., Myshenko V. V., Koro- lev A. M., Myshenko A. V., Antyufeyev A. V., Poladich A. V., and Shkodin V. I. 3-mm wave spectroradiometer for stu- dies of atmospheric trace gases. Radiophys. Quantum El. 2010. Vol. 53, Is. 5-6. P. 326–333. DOI: 10.1007/s11141- 010-9231-y 09. Piddyachiy V., Shulga V., Myshenko V., Korolev A., Anty- feyev O., Shulga D., and Forkman P. Microwave radio- meter for spectral observations of mesospheric carbon mo- noxide at 115 GHz over Kharkiv, Ukraine. J. Infrared Mil- lim. Terahertz Waves. 2017. Vol. 38, Is. 3. P. 292–302. DOI: 10.1007/s10762-016-0334-1 10. Подъячий В. И., Короев А. М., Мышенко В. В., Шуль- га В. М. Приемный модуль 2-мм диапазона для наблю- дений линии излучения атмосферного озона на часто- те142.2 ГГц Радіофізика і радіоастрономія. 2015. Т. 20, № 3. С. 261–268. DOI: 10.15407/rpra20.03.261 11. Подъячий В. И. Утроитель частоты на диодах с барье- ром Шоттки в приемнике 3-мм диапазона для иссле- дований линий излучения атмосферных газов. Радіофі- зика і радіоастрономія. 2015. Т. 20, № 1. С. 86–93. DOI: 10.15407/rpra20.01.086 12. Алексеев Е. А., Захаренко В. В. Синтезатор прямого цифрового синтеза в микроволновой спектроскопии. Радіофізика і радіоастрономія. 2007. Т. 12, № 2. С. 205–213. 13. Алексеев Е. А., Илюшин В. В., Мещеряков А. А. Вы- сокоточный радиоспектрометр с субдоплеровским спек- тральным разрешением. Радіофізика і радіоастро- номія. 2014. Т. 19, №4. С. 364–374. DOI: 10.15407/ rpra19.04.364 14. Королев А. М. Усилитель промежуточной частоты су- пергетеродинного радиоастрономического приемника. Приборы и техника эксперимента. 2011. № 1. С. 88–90. 152 ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 В. В. Мышенко и др. 15. Королев А. М., Шульга В. М. Ненасыщенный режим как альтернативный метод обеспечения устойчивости малошумящих усилителей на полевых транзисторных ге- тероструктурах. Радіофізика і радіоастрономія. 2011. Т. 16, № 4. С. 433–439. 16. Antyufeyev A. V., Myshenko A. V., and Myshenko V. V. Microwave oscillator’s spectral observation with a radio astronomy receiver. Proceedings of the 23-th International Crimean conference “Microwave and Telecommunication Technology” (CriMiCo’2013). (Sept. 8-14, 2013. Sevasto- pol, Ukraine). Sevastopol, Ukraine: IEEE, 2013. P. 949–950. REFERENCES 01. HOFFMANN, C. G., RAFFALSKI, U., PALM M., FUNKE, B., GOLCHERT, S. H. W., HOCHSCHILD, G. and NOTHOLT, J., 2011. Observation of strato-meso- spheric CO above Kiruna with ground-based microwave radiometry – retrieval and satellite comparison. Atmos. Meas. Tech. vol. 4, is. 11, pp. 2389–2408. DOI: 10.5194/ amt-4-2389-2011 02. STRAUB, C., ESPY, P. J., HIBBINS, R. E. and NEWN- HAM, D. A., 2013. Mesospheric CO above Troll station, Antarctica observed by a ground based microwave radio- meter. Earth Syst. Sci. Data. vol. 5, is. 1, pp. 199–208. DOI: 10.5194/essd-5-199-2013 03. HAGEN, J., MURK, A., RÜFENACHT, R., KHAYKIN, S., HAUCHECORNE, A. and KÄMPFER, N., 2018. WIRA-C: a compact 142-GHz-radiometer for continuous middle-at- mospheric wind measurements. Atmos. Meas. Tech. vol. 11, is. 9, pp. 5007–5024. DOI: 10.5194/amt-11-5007-2018 04. RÜFENACHT, R., KÄMPFER, N. and MURK, A., 2012. First middle-atmospheric zonal wind profile measurements with a new ground-based microwave Doppler-spectro-ra- diometer. Atmos. Meas. Tech. vol. 5, is. 11, pp. 2647–2659. DOI: 10.5194/amt-5-2647-2012 05. ANTYUFEYEV, A. V. and SHULGA, V. M., 2005. FFT– based digital spectrum analyzer on PC. Radiotekhnika. no. 10. pp. 145–148. (in Russian). 06. KARELIN, YU. V., ANTYUFEYEV, O. V., MYSHEN- KO, V. V. and SHULGA, V. M., 2017. An FPGA-ba- sed fourier FFTS-160 spectrometer for atmospheric mo- lecular radiation research. Telecomm. Radio Eng. vol. 76, is. 4, pp. 305–313. DOI: 10.1615/TelecomRadEng. v76.i4.30 07. FORKMAN, P., PIDDYACHIY, V., KOROLEV, A., MY- SHENKO, V., MYSHENKO, A. and SHULGA, V., 2006. An uncooled very low noise Schottky diode receiver front- end for middle atmospheric ozone and carbon monoxide measurements. Int. J. Infrared Millimeter Waves. vol. 27, is. 1, pp. 25–35. DOI: 10.1007/s10762-006-9061-3 08. PIDDYACHIY, V. I., SHULGA, V. M., MYSHENKO, V. V., KOROLEV, A. M., MYSHENKO, A. V., ANTYU- FEYEV, A. V., POLADICH, A. V. and SHKODIN, V. I., 2010. 3-mm wave spectroradiometer for studies of atmo- spheric trace gases. Radiophys. Quantum El. vol. 53, is. 5-6, pp. 326–333. DOI: 10.1007/s11141-010-9231-y 09. PIDDYACHIY, V., SHULGA, V., MYSHENKO, V., KO- ROLEV, A., ANTYFEYEV, O., SHULGA, D. and FORK- MAN, P., 2017. Microwave radiometer for spectral obser- vations of mesospheric carbon monoxide at 115 GHz over Kharkiv, Ukraine. J. Infrared Millim. Terahertz Waves. vol. 38, is. 3, pp. 292–302. DOI: 10.1007/s10762-016- 0334-1 10. PIDDYACHIY, V. I., KOROLEV, A. M., MYSHENKO, V. V. and SHULGA, V. M., 2015. The 2-mm range receiving module for observations of atmospheric ozone emission line at 142.2 GHz. Radio Phys. Radio Astron. vol. 20, is 3, pp. 261–268. (in Russian). DOI: 10.15407/rpra20.03.261 11. PIDDYACHIY, V., 2015. Schottky diode tripler in the 3-mm wave receiver for investigation of atmospheric gases. Radio Phys. Radio Astron. vol. 20, is. 1, pp. 86–93. (in Russian). DOI: 10.15407/rpra20.01.086 12. ALEKSEEV, E. A. and ZAKHARENKO, V. V., 2007. Direct Digital Synthesizer at the Microwave Spectro- scopy. Radio Phys. Radio Astron. vol. 12, is. 2, pp. 205–213. (in Russian). 13. ALEKSEEV, E. A., ILYUSHIN, V. V. and MESCHERYA- KOV, A. A., 2014. High-precision microwave spectro- meter with sub-Doppler spectral resolution. Radio Phys. Radio Astron. vol. 19, is. 4, pp. 364–374. (in Russian). DOI: 10.15407/rpra19.04.364 14. KOROLEV, A., 2011. An Intermediate-Frequency Ampli- fier for a Radio-Astronomy Superheterodyne Receiver. Instrum. Exp. Tech. vol. 54, is. 1, pp. 81–83. DOI: 10.1134/ S002044121006103X 15. KOROLEV, A. M. and SHULGA, V. M., 2011. Unsatu- rated regime as alternative method to provide stability of low-noise amplifier on high-electron-mobility transistors. Radio Phys. Radio Astron. vol. 16, is. 4, pp. 433–439. (in Russian). 16. ANTYUFEYEV, A. V., MYSHENKO, A. V. and MY- SHENKO, V. V., 2013. Microwave oscillator’s spectral ob- servation with a radio astronomy receiver. In: Proceedings of the 23-th International Crimean conference “Microwave and Telecommunication technology” (CriMiCo’2013). Sevastopol, Ukraine: IEEE, pp. 949–950 V. V. Myshenko, V. M. Shulga, A. M. Korolev, Yu. V. Karelin, D. L. Chechotkin, O. V. Antyufeyev, and O. M. Patoka Institute of Radio Astronomy, National Academy of Sciences of Ukraine, 4, Mystetstv St., Kharkiv, 61002, Ukraine LOCAL OSCILLATORS FOR MM-WAVELENGTH AERONOMIC RECEIVERS Purpose: A description of the original technical solutions of the solid-state highly stable local oscillators of the millimeter range and the results of the study of the main characteristics of the developed devices are given. The goal of the work is the development of small-sized stabilized generators with low power consumption for the use in the composition of superhe- terodyne receivers of the 2 mm and 3 mm ranges for aeronomic research. Design/methodology/approach: The created local oscillators are based on multiple multiplication of the reference signal with a phase locked loop. The output generator on the Gunn diode works without a varactor, with the frequency tuning by chan- ging the voltage on the diode. To measure the spectral charac- teristics, a test signal of a separate highly stable heterodyne ISSN 1027-9636. Радіофізика і радіоастрономія. Т. 24, № 2, 2019 153 Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона of an astronomical receiver was used. The spectrum of the in- vestigated local oscillator was recorded by a parallel Fourier spectrum analyzer with the frequency resolution of 1 kHz per channel. Methods for the study of other basic characteristics were standard methods of radio measurements. Findings: Compact sources of the heterodyne signal of the mm-wavelength range with low power consumption (less than 20 W) were designed and tested. The output power of the local oscillators is at least 50 mW. The measured relative frequency instability is better than 810 when working with a thermostat- ted quartz reference source. The time resource of continuous work exceeds 2 years. Conclusions: Relative instability of frequency 8(10 ) and launch power (more than 50 mW) of the presented generators corre- spond to the characteristics of industrial mm-wavelength preci- sion generators, the here developed generators (devices) being more economical, compact and cheaper. A number of proposed circuit and design solutions can be used by designers of similar equipment in the mm-wavelength range. Key words: millimeter waves, local oscillator, economy, stabili- ty, phase locked loop В. В. Мишенко, В. М. Шульга, О. М. Корольов, Ю. В. Карелін, Д. Л. Чечоткін,О. В. Антюфєєв, О. М. Патока Радіоастрономічний інститут НАН України, вул. Мистецтв, 4, м. Харків, 61002, Україна ГЕТЕРОДИНИ АЕРОНОМІЧНИХ ПРИЙМАЧІВ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ Предмет і мета роботи: Наведено опис оригінальних тех- нічних рішень твердотільних високостабільних гетеродинів міліметрового діапазону і результати дослідження основних характеристик розроблених пристроїв. Мета роботи – роз- робка малогабаритних стабілізованих генераторів з малою споживаною потужністю для використання в складі супер- гетеродинних приймачів 2-мм і 3-мм діапазонів для аероно- мічних досліджень. Методи і методологія роботи: Розроблені гетеродини базуються на багатократному множенні частоти опорного сигналу з фазовим автопідстроюванням. Вихідний генера- тор на діоді Ганна працює без варактора, з налаштуванням за частотою шляхом зміни напруги на діоді. Для вимірюван- ня спектральних характеристик використовувався тестовий сигнал окремого високостабільного гетеродина астрономіч- ного приймача. Реєстрація спектра сигналу досліджуваного гетеродина здійснювалася паралельним фур’є-аналізатором спектра з частотною роздільною здатністю 1 кГц/канал. Методи дослідження інших базових характеристик – стан- дартні методи радіовимірювань. Результати роботи: Розроблено та протестовано компактні джерела гетеродинного сигналу міліметрового діапазону дов- жин хвиль з низькою споживаною потужністю (менше 20 Вт). Вихідна потужність генераторів – не менше 50 мВт. Виміряна відносна нестабільність частоти краще 810 при роботі з тер- мостатованим кварцовим опорним джерелом. Часовий ресурс безперервної роботи перевищує 2 роки. Висновок: Відносна нестабільність частоти 8(10 ) і вихідна потужність (понад 50 мВт) представлених генераторів відпо- відають характеристикам промислових прецизійних гене- раторів міліметрового діапазону, при цьому розроблені ге- нератори (пристрої) є більш економічні, компактні та дешеві. Низка запропонованих схемних і конструктивних рішень може використовуватися проектувальниками аналогічної техніки в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Ключові слова: міліметрові хвилі, генератор, економічність, стабільність, фазове автопідстроювання частоти Статья поступила в редакцию 11.04.2019

Гетеродины аэрономических приемников миллиметрового диапазона

Репозитарії

Схожі ресурси