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» (М42 118−2, М42 136, микросборка «Орхидея» и др.), которые имеют сравнительно небольшую выходную мощность (до 0,40, 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;
