Сверхрегенеративный приемопередатчик

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в аэрологических радиозондах и метеорологических ракетах для измерения дальности. Сверхрегенеративный приемопередатчик содержит генератор суперирующих импульсов (ГСИ), автогенератор (АГ), антенну (А), источник питания (ИП), конденсатор (К) и блок стабилизации среднего ока (БССТ), выход ГСИ через К подключен к первому входу АГ. К выходу АГ подключена А. Первый выход ИП соединен со входом ГСИ, второй выход - с входом БССТ, выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами АГ. АГ выполнен по двухрезонаторной схеме и содержит транзистор (Т), первый и второй резонаторы (Р), первый и второй дроссели (Д) и индуктивность (И). Первый резонатор включен между И и коллектором Т, второй - между И и эмиттером. Коллектор Т через первый Д соединен со вторым входом АГ, эмиттер через второй Д и третий вход соединен с общими выводами ГСИ БССТ и ИП. И включена между общей точкой Р и базой Т. Технический результат: повышение стабильности КПД и точности работы. 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в аэрологических радиозондах и метеорологических ракетах для измерения дальности.

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик с отдельным генератором вспомогательных колебаний, служащий для приема запросных импульсов и передачи ответных (см. В.И.Ермаков и др. "Системы зондирования атмосферы", Гидрометеоиздат, 1977, с. 247-249).

Недостатками его являются большие массогабаритные характеристики, влияние СВЧ поля передатчика на работу остальных узлов радиозонда, наличие скоростной ошибки по дальности.

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий последовательно соединенные генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор, антенну и источник питания, причем автогенератор включает в себя транзистор и резонатор.

Недостатком этого приемопередатчика является низкая стабильность параметров при изменении температуры окружающей среды и согласования с антенной, зависимость выходных параметров от изменения напряжения питания, большое изменение частоты приема относительно частоты излучения.

Известен также сверхгенеративный приемопередатчик, содержащий последовательно соединенные генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор, антенну, блок стабилизации среднего тока, источник питания с соответствующими соединениями (см. А.С. СССР N 1106262) - ПРОТОТИП.

Недостатком его является значительное и нерегулируемое смещение частоты приема относительно частоты излучения, что существенно снижает эксплуатационные параметры радиотехнической системы в целом и не позволяет полностью использовать потенциальные возможности сверхрегенеративного приемопередатчика, а также низкий КПД.

Технической задачей изобретения является повышение стабильности и точности работы с увеличением выходного КПД.

С этой целью предлагается сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий генератор суперирующих импульсов, автогенератор, антенну, источник питания, конденсатор и блок стабилизации среднего тока, выход генератора суперирующих импульсов через конденсатор подключен к первому входу автогенератора, к выходу автогенератора подключена антенна, первый выход источника питания соединен со входом генератора суперирующих импульсов, второй выход - с входом блока стабилизации среднего тока, выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами автогенератора; автогенератор выполнен по двухрезонаторной схеме и содержит транзистор, первый и второй резонаторы, первый и второй дроссели и индуктивность, причем первый резонатор включен между индуктивностью и коллектором транзистора, второй - между индуктивностью и эмиттером, коллектор транзистора через первый дроссель соединен со вторым входом автогенератора, эмиттер через второй дроссель и третий вход соединен с общими выводами генератора суперирующих импульсов, блока стабилизации среднего тока и источника питания, индуктивность включена между общей точкой резонаторов, конденсатора и базой транзистора.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема устройства, на фиг. 2 - временные диаграммы основных точек схемы, на фиг. 3 - амплитудно-частотная характеристика СПП и спектральная характеристика излучения СПП; на фиг. 4 - зависимость частоты автоколебаний автогенератора приемопередатчика от амплитуды первой гармоники тока коллектора.

На электрической схеме изображено: 1 - генератор суперирующих импульсов (ГСИ), 2 - автогенератор, 3 - блок стабилизации среднего тока (БССТ), 4 - источник питания (ИП), C - времязадающий конденсатор, А - антенна; в состав автогенератора входят: T - транзистор, Др1 и Др2 - первый и второй дроссели соответственно, L - индуктивность, A - антенна, вых. 1 и вых. 2 - первый и второй выходы источника питания 4, вх.1, вх.2 и вх.3 - первый, второй и третий входы соответственно автогенератора 2.

На временных диаграммах основных точек схемы изображено: U_с - выходные напряжения ГСИ 1, U_бэ(t) - напряжение база-эмиттер транзистора T, I_к(t) - коллекторный ток транзистора T, A(t) - выходные напряжения автогенератора 2, U_з(t) - напряжение внешнего (приходящего) сигнала, U_сб (t) - напряжение на времязадающем конденсаторе C (на базе транзистора T).

ГСИ может быть выполнен, например, по схеме см., Белкин М.К. "Сверхрегенераторы", М, Радио и связь, 1983, с. 1-24. Двухрезонаторный автогенератор может быть выполнен, например, по схеме см., учебник "Устройства генерирования и формирования радиосигналов", М, Радио и связь, 1994, с. 162-163. БССТ может быть выполнен по схеме стандартного генератора тока.

Сверхрегенеративный приемопередатчик (СПП) работает следующим образом.

После включения приемопередатчика в установившемся режиме через транзистор Т автогенератора 2 протекает средний коллекторный ток I_к.ср, задаваемый блоком стабилизации 3 среднего тока, который вместе с конденсатором С образует цепь автоматического смещения автогенератора 2. Генератор суперирующих импульсов 8, обладающий очень малым выходным сопротивлением (импедансом), вырабатывает прямоугольную импульсную последовательность U_с(t) с амплитудой U_с, длительностью τ_c и периодом T_с (см. фиг. 2, е).

Запуск автогенератора 2 происходит при превышении управляющим напряжением база-эмиттер U_бэ(t) транзистора T уровня E_б (уровня отпирания транзистора, см. фиг. 2, г). В момент возникновения автоколебаний через транзистор T протекает коллекторный ток I_к(t), равный пусковому значению I_п, причем граничный коллекторный ток самовозбуждения соответствует уровню I_гр (см. фиг. 2, в). Если пусковой ток I_п превышает величину I_гр, в резонаторах P₁ и P₂ автогенератора 2 возникают автоколебания, амплитуда которых возрастает по экспоненциальному закону от уровня флюктуационных шумов А₀ до значения стационарной амплитуды A_ст (см. фиг. 2, б). Вследствие жесткого режима самовозбуждения автогенератора 2 постоянная составляющая коллекторного тока транзистора T возрастает синхронно с нарастанием амплитуды автоколебаний A(t). Время установления автоколебаний приблизительно определяется временной задержкой τ_з переднего фронта радиоимпульса, а длительность радиоимпульсов равна τ_и= τ_c-τ_з (см. фиг. 2, е и 2, б). Величина τ_з определяется уровнем флюктуационного шума A₀ и величиной отрицательного затухания, вносимого транзистором T в колебательный контур автогенератора 2, которая определяется величиной пускового тока I_п (см. фиг. 2, б). При отсутствии сигнала, поступающего через антенну A в автогенератор 2, величина флюктуационного шума A₀ постоянна и величину τ_и можно регулировать уровнем пускового тока. Увеличение пускового тока I_п приводит к увеличению модуля отрицательного сопротивления контура автогенератора 2 и соответственно к уменьшению времени задержки τ_з и наоборот, уменьшение пускового тока I_п приводит к увеличению τ_з и при τ_з ≅ τ_c автоколебания в автогенераторе 2 не возникают: таким образом, регулировкой величины пускового тока можно установить любое требуемое значение τ_з и, следовательно, τ_и в пределах длительности суперирующих импульсов τ_c (см. фиг. 2, в и 2, е). Эффект сверхгенеративного усиления внешнего сигнала U_з(t) (см. фиг. 2, а) заключается в том, что при его появлении в резонаторе P₁ автогенератора 2 возрастание амплитуды автоколебаний начинается не с уровня флюктуационных шумов A₀, а с уровня сигнала A_с (см. фиг. 2, б), что приводит к резкому сокращению времени задержки τ_з и, как следствие, к соответствующему увеличению длительности первого радиоимпульса на величину Δτ_з, этот радиоимпульс излучается антенной A в ответ на принятый сигнал U_з(t) (см. фиг. 2, б). В дальнейшем приращение Δτ_з будем называть первичной реакцией сверхрегенеративного приемопередатчика на запросный сигнал. Величина Δτ_з является полезным эффектом усиления запросного сигнала U_з(t) и характеризует чувствительность СПП.

Для простоты рассуждений далее предположим, что выходное сопротивление ГСИ 1 равно нулю, а выходы ИП 4 зашунтированы конденсаторами по переменной составляющей тока. Тогда постоянная времени цепи автоматического смещения автогенератора 2 равна произведению емкости конденсатора C на эквивалентное выходное сопротивление БССТ 3 через вх.2 автогенератора 2. Величина этой постоянной времени выбирается больше периода следования импульсов ГСИ 1. В течение длительности радиоимпульса конденсатор C заряжается током базы транзистора T, в результате чего формируется запирающее, напряжение ΔU (см. фиг. 2, д). Разряд конденсатора C происходит в интервале демпфирования τ_д (см. фиг. 2, е) в течение времени задержки τ_з В установившемся режиме напряжение на конденсаторе C имеет постоянную и переменную составляющие E_сб и ΔU (см. фиг. 2, д) соответственно, поэтому плоская часть импульса управляющего напряжения U_бэ имеет нарастающий и падающий участки, а среднее значение импульсного напряжения смещается в запирающем направлении на величину E_сб = U_с - E_б (см. фиг. 2, г). Во время первичной реакции Δτ_з цепь автоматического смещения дополнительно заряжается на величину ΔU₁, поэтому при поступлении следующего суперирующего импульса _с(t) управляющее напряжение (на базе транзистора T) будет меньше на величину ΔU₁, (см. фиг. 2, д), что приводит к уменьшению пускового тока на величину ΔI_п (см. фиг. 2, в) и, как было отмечено ранее, вызывает увеличение времени задержки τ_з очередного радиоимпульса на величину Δτ_з (см. фиг. 2, б). При достаточно большом значении ΔU₁ и выполнении условия Δτ_з > τ_и происходит полное подавление второго ответного радиоимпульса, а ответный сигнал СПП будет восприниматься в виде паузы, хорошо наблюдаемой на экране радиолокатора. Этот процесс называется вторичной реакцией СПП, а его чувствительность определяется уровнями первичной и вторичной реакцией Δτ_зʹ и Δτ_зʺ соответственно. При заданной величине запросного сигнала E_с величины Δτ_зʹ и Δτ_зʺ пропорциональны времени задержки τ_з, поэтому для повышения чувствительности необходимо увеличивать τ_з, что можно достигнуть приближением пускового тока I_п к значению граничного тока I_гр.

Для нормальной работы СПП весьма важно обеспечить совмещение частот приема и передачи, хотя в общем случае взаимное положение частот может быть произвольным. Частота приема определяется как частота максимума амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) СПП, соответственно частота излучения - как частота максимума спектра излучения СПП (см.фиг. 3). Следует заметить, что эффективная полоса приема Δf_пр.эфф связана обратной зависимостью приемного интервала Δf_пр соответственно с временем задержки Δτ_з, ширина же спектра излучения СПП Δf_изл связана обратно пропорциональной зависимостью от длительности излучаемых радиоимпульсов. Изменение частоты автоколебаний в СПП в течение переходного процесса в зависимости от амплитуды первой гармоники тока коллектора транзистора см. на фиг. 4. Видно, что частота приема f_пр соответствует частоте автоколебаний в момент запуска СПП, т.е. f_изл. По мере увеличения амплитуды колебаний частота сначала возрастает из-за уменьшения сдвига фазы между током эмиттера и коллектора СВЧ-транзистора, затем уменьшается за счет нарастания эквивалентной интегральной емкости транзистора. Стационарный режим в СПП устанавливается при достижении равенства нулевого значения интегрального затухания контура автогенератора. Частота передачи f_изл соответствует частоте автоколебаний в стационарном режиме, которому соответствует максимальная амплитуда первой гармоники тока коллектора транзистора I_к. Выполнение автогенератора 2 по двухрезонаторной схеме позволяет совместить частоты приема и излучения, основным условием совмещения является выполнение баланса фаз Φ_к+Φ_т+Φ_э+Φ_н= 2πn, где π число "пи"; n = 1, 2, 3 ... и т.д.; Φ_к - сдвиг фазы в коллекторном контуре; Φ_э - сдвиг фазы в эмиттерном контуре; Φ_т - сдвиг фазы в транзисторе T; Φ_н - сдвиг фазы в нагрузке.

Это легко выполняется при настройке СПП после изготовления, чему способствует выполнение автогенератора 2 на полосковых линиях. Кроме того, из-за совмещения частот сразу же появляется другой положительный эффект: резкое увеличение КПД СПП, практически в 2-2,5 раза, что значительно снижает энергопотребление или же при том же энергопотреблении увеличивает выходную мощность СПП.

Формула изобретения

Сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий генератор суперирующих импульсов, автогенератор, антенну, источник питания, конденсатор и блок стабилизации среднего тока, выход генератора суперирующих импульсов через конденсатор подключен к первому входу автогенератора, к выходу автогенератора подключена антенна, первый выход источника питания соединен со входом генератора суперирующих импульсов, второй выход - с входом блока стабилизации среднего тока, выходы которого соединены соответственно с вторым и третьим входами автогенератора, отличающийся тем, что автогенератор выполнен по двухрезонаторной схеме и содержит транзистор, первый и второй резонаторы, первый и второй дроссели и индуктивность, причем первый резонатор, предназначенный для приема внешнего сигнала и передачи усиленного сигнала автогенератором, включен между индуктивностью и коллектором транзистора, второй резонатор - между индуктивностью и эмиттером транзистора, который через второй дроссель соединен с третьим входом автогенератора и общими выводами генератора суперирующих импульсов, блока стабилизации среднего тока и источника питания, индуктивность включена между общей точкой резонаторов, конденсатора и базой транзистора, коллектор которого через первый дроссель соединен со вторым входом автогенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4