УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ АСТРОНОМИИ РАН
На правах рукописи
МАРШАЛОВ Дмитрий Александрович
ШИРОКОПОЛОСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТ
ДИАПАЗОНОВ ВОЛН 13, 6 И 3.5 СМ ДЛЯ
АСТРОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Специальность 01.03.02
Астрофизика и звездная астрономия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Санкт-Петербург 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте прикладной астрономии РАН.
Научный руководитель:
Доктор технических наук, профессор Н. Е. Кольцов
Официальные оппоненты:
Доктор технических наук, профессор А. А. Головков Кандидат технических наук Д. В. Иванов
Ведущая организация:
Учреждение Российской академии наук Специальная астрофизическая обсерватория (САО РАН)
Защита состоится «11» октября 2010 года в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 002.067.01 при Учреждении Российской академии наук Институте прикладной астрономии РАН по адресу: 191187, Санкт-Петербург, наб. Кутузова, д. 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПА РАН.
Автореферат разослан «» _ 2010 г.
Учёный секретарь Диссертационного совета, Доктор физ.-мат. наук Ю. Д. Медведев
Общая характеристика работы
Актуальность работы Наиболее точные данные для астрофизики, координатно-временного и эфемеридного обеспечения, астрометрии и космической геодезии дают наблюдения методами радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), которые регулярно проводятся комплексом «Квазар-КВО». Много информации дают также радиометрические измерения энергетических параметров широкополосного излучения космических источников и регистрация радиоизлучений в спектральных линиях.
Требования к точности данных, получаемых при радиометрических и РСДБ наблюдениях, постоянно повышаются. Для выполнения современных требований по определению Всемирного времени с точностью 0.07 мс (в течение 6 часов) должны проводиться ежедневно часовые сеансы РСДБнаблюдений, а для определения параметров вращения Земли – суточные сеансы через 1-2 недели (национальные программы наблюдений Ru-UT, RuEOP, международные программы IVS-INT1, IVS-INT2 и IVS-R1, IVS-R4, IVS-T2). Наряду с этим увеличивается объем астрофизических исследований методами радиометрии (программы Ru-Flicker, Ru-GRB, Ru-Integral) и РСДБ (программы EURO, VLBA-RDV), проводятся наблюдения излучений в спектральных линиях (программа Ru-OH). Решаются и другие фундаментальные и прикладные задачи.
Увеличение масштабов проводимых радиоастрономических исследований и повышение требований по точности получаемых радиометрических и РСДБ данных возможно только с использованием новой более совершенной приемной аппаратуры, которая позволит не только качественно повысить эксплуатационную надежность в условиях длительной интенсивной работы, устранить подготовительные операции с применением ручного труда операторов и обеспечить проведение наблюдений в режиме автоматического управления радиотелескопом, но и существенно улучшить ряд параметров, влияющих на точность получаемых данных – расширить полосы приема и динамический диапазон, уменьшить собственные шумы, улучшить спектральные характеристики гетеродинов и избирательность по отношению к внеполосным помехам.
Радиоастрономические приемные устройства (РПУ) обычно содержат на входе криоэлектронные малошумящие усилители, обеспечивающие высокую чувствительность радиотелескопа, но для повышения качества данных, получаемых в результате радиоастрономических наблюдений, необходима была разработка широкополосных блоков усиления и преобразования частот (БПЧ) со встроенными гетеродинами на новой элементно-узловой и технологической базе. В первую очередь следовало разработать БПЧ в диапазонах волн 13 и 3.5 см, в которых в настоящее время проводится большинство высокоточных РСДБ-наблюдений, и в диапазоне волн 6 см, в котором широко проводятся астрофизические исследования.
Цели и задачи диссертационной работы:
Целью диссертационной работы является разработка широкополосных блоков преобразования частот и гетеродинов радиоастрономических приемников на новой элементной базе, обеспечивающих повышение точности данных, получаемых при радиометрических и РСДБ наблюдениях, высокую эксплуатационную надежность в режиме длительной интенсивной работы и автоматизацию процессов подготовки и проведения наблюдений.
Для достижения этой цели необходимо было провести следующие исследования и разработки:
– Обосновать требования к широкополосным приемным каналам и к гетеродинам для перспективных РПУ на основе анализа тенденций развития радиоастрономических методов в астрофизике.
– Разработать методики проектирования высокочастотных приемных каналов на перспективной элементной и технологической базе, имеющих высокую надежность, обеспечивающих расширение полосы приема и динамического диапазона, снижение уровня шумов и улучшение избирательности по отношению к шумам зеркального канала и внеполосным радиопомехам.
– Определить технические решения по разработке основных узлов широкополосных приемных каналов (усилителей высоких и промежуточных частот, модуляторов, смесителей, широкополосных фильтров) и принципы конструирования каналов в микроэлектронном исполнении.
– Исследовать возможности улучшения спектральных характеристик гетеродинов и разработать гетеродины в микроэлектронном исполнении с низкими уровнями фазовых шумов и дискретных компонентов спектра.
– Исследовать стабильность параметров широкополосных приемных каналов и гетеродинов в микроэлектронном исполнении и оценить эффективность их применения в приемных системах радиотелескопа.
– Разработать экспериментальные образцы БПЧ диапазонов волн 3.5, 6 и 13 см на базе микросборок широкополосных приемных каналов и гетеродинов.
– Разработать широкополосный блок преобразования частот, обеспечивающий проведение РСДБ-наблюдений в расширенной до 900 МГц полосе приема на радиотелескопах, где установлены системы преобразования сигналов VLBA 4.
– Провести радиометрические и РСДБ наблюдения с использованием разработанных блоков в составе приемных устройств радиотелескопов комплекса «Квазар-КВО», чтобы оценить эффективность применения разработанных БПЧ в реальных условиях.
Основные научные результаты Разработана методика проектирования высокочастотных широкополосных приемных каналов в микроэлектронном исполнении для радиоастрономических приемников, обеспечивающая повышение надежности, расширение полосы приема (до 2 ГГц) и улучшение технических параметров, непосредственно влияющих на качество приема радиоастрономических сигналов.
Предложены принципы конструирования микроэлектронных гетеродинов для радиоастрономических приемников и технические решения, обеспечивающие снижение потерь когерентности принимаемого сигнала за счет уменьшения фазовых шумов и дискретных компонентов спектра гетеродинного сигнала.
Показаны и экспериментально подтверждены возможности снижения аппаратурных потерь чувствительности радиоинтерферометра и эффективности подавления внеполосных помех за счет разработки более совершенных БПЧ.
Показаны возможности повышения стабильности параметров и надежности широкополосных приемных каналов и гетеродинов радиоастрономических приемников, что необходимо для длительной непрерывной работы радиотелескопа в автоматизированном режиме (без операций подстройки отдельных узлов при подготовке радиометрических и РСДБ наблюдений).
Практическая значимость работы Созданы интегрально-гибридные блоки усиления и преобразования частот со встроенными гетеродинами для радиоастрономических приемников диапазонов волн 3.5/13 см и 6 см, которые повышают надежность, расширяют полосу приема и динамический диапазон и уменьшают объем приемной аппаратуры в два раза. Установка разработанных блоков на радиотелескопы комплекса «Квазар-КВО»
позволила повысить чувствительность при радиометрических измерениях и точность данных, получаемых методами РСДБ. Параметр SEFD (System Equivalent Flux Density), наиболее полно характеризующий реальную чувствительность радиотелескопа в режиме РСДБ, был улучшен в диапазоне волн 3.5см примерно на 20 % (с 450 Ян до 358 Ян), а разброс этого параметра, характеризующий точность регистрируемых в конкретном наблюдении данных, уменьшился в 3 раза. Аналогичное улучшение параметра SEFD получено в диапазоне волн 13 см, причем в этом диапазоне волн полностью устранено влияние радиопомех, создаваемых ретрансляторами сотовых систем радиосвязи на близких частотах.
На радиотелескопах, оснащенных системой преобразования сигналов VLBA 4 (например, в обсерватории «Зеленчукская»), обеспечена возможность проведения наблюдений во всех диапазонах волн в расширенной до 900 МГц полосе приема.
Положения, выносимые на защиту 1. Методика проектирования интегрально-гибридных микросборок радиоастрономических приемников диапазонов волн 3.5, 6 и 13 см, которые значительно повышают надежность приемной аппаратуры и существенно улучшают параметры, влияющие на точность данных, получаемых при наблюдениях – полосы приема, динамический диапазон, избирательность к внеполосным помехам, частотные характеристики каналов и спектральные характеристики гетеродинов.
2. Результаты разработки и исследования широкополосных блоков усиления и преобразования частот со встроенными гетеродинами на диапазоны волн 3.5 / 13 см и 6 см, которые позволяют уменьшить аппаратурные потери чувствительности, повысить точность данных, полученных при РСДБ и радиометрических наблюдений, и вдвое сократить объем приемной аппаратуры.
3. Разработка блока преобразования частот, обеспечивающего проведение РСДБ-наблюдений в двух диапазонах волн с расширенной до 900 МГц полосой приема на радиотелескопах, имеющих систему преобразования сигналов VLBA4.
4. Результаты радиометрических и РСДБ-наблюдений, проведенных на радиотелескопах комплекса «Квазар-КВО» с использованием разработанных широкополосных блоков усиления и преобразования Публикации по теме диссертации Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 статьях [1-6], в учебном пособии СПбГЭТУ[11], в 4 тезисах по докладам на конференциях [7-10] и 5 отчетах ИПА РАН [12-16].
В работах [1-2, 7-8, 11-13], написанных в соавторстве, отражены разработанные лично автором принципы конструирования, схемотехнические и технологические решения по созданию основных микроэлектронных узлов и микросборок широкополосных приемных каналов в целом, а также методики исследований их характеристик.
Личным вкладом автора диссертации в работах [3, 9 и 14-16] является разработка схем, топологии микроплаты и конструкторско-технологических решений по микросборке гетеродина 8.08/2.02 ГГц, а также методика и результаты исследования ее параметров и стабильности. Лично автором были разработаны структура и схемотехнические решения построения блоков преобразования частот диапазонов волн 3.5/13 и 6 см и проведено исследование их характеристик.
В работах [4-6] лично автором диссертации выполнены схемотехническая разработка высокочастотных узлов и комплексное конструирование блока преобразования частот, обеспечивающего сопряжение системы преобразования сигналов VLBA 4 с РПУ комплекса «Квазар-КВО».
Апробации работы Материалы диссертационной работы были апробированы на семинарах и на Ученом совете ИПА РАН, а также на Всероссийской конференции «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики» (11–15 сентября 2006 г., г. Санкт-Петербург), на Радиоастрономической конференции «Повышение эффективности и модернизация радиотелескопов» (22– сентября 2008 г., пос. Нижний Архыз, Карачаево-Черкесская Республика) и на «II научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике» (14 апреля 2009г., г. Санкт-Петербург).
Связь диссертации с плановыми работами ИПА РАН Диссертационная работа непосредственно связана с плановыми разработками ИПА РАН по темам «Эффективность» (№ гос. рег.
01.2.00708315), «Квазар» (№ гос. рег. 0120905305), «Квазар-Астрофизика»
(№ гос. рег. 1200905301) и является их составной частью. Результаты диссертационной работы использованы полностью в ОКР «Полюс» и «Полюс-М», выполняемых ИПА РАН, в рамках федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система».
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации 137 страниц, из них: 109 страниц текста, 75 рисунков, 10 таблиц.
Список цитируемой литературы содержит 57 наименований.
сформулированы цели работы, указаны научная новизна, практическая значимость результатов работы, перечислены положения, выносимые на защиту, даны сведения по публикациям и апробации работы.
В первой главе обоснованы требования к широкополосным каналам усиления и преобразования частот и сформулированы задачи исследований и разработки, исходя из современных требований астрофизики, координатновременного и эфемеридного обеспечения и астрометрии.
В диапазоне волн 6 см важнейшей задачей является расширение полосы приема до 900 МГц, а в диапазоне 3.5 см – до 2 ГГц. В диапазоне волн 13 см, где увеличивается число работающих радиопередатчиков, необходимо значительно повысить помехозащищенность РПУ, обеспечив ослабление внеполосных радиопомех не менее 60 дБ. Для уменьшения аппаратурных погрешностей при регистрации данных наблюдений должны быть существенно улучшены такие параметры БПЧ как динамический диапазон, равномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), спектральные характеристики гетеродинов, стабильность коэффициента усиления и коэффициента глубины модуляции сигнала.
Для обеспечения возможности РСДБ-наблюдений на радиотелескопах, оснащенных системой преобразования сигналов VLBA 4 (например, РТ-32 в обсерватории «Зеленчукской»), с расширенной до 900 МГц полосой приема необходимо разработать специализированный широкополосный преобразователь частот.
Решение всех этих задач требует разработки методик проектирования широкополосных приемных каналов (ШПК) и гетеродинов для астрономических приемников в виде монолитных (на единой подложке) интегрально-гибридных сборок, а также исследования параметров и стабильности всех узлов схемы – усилителей, модуляторов, фильтров, гетеродинов.
Правильность технических решений и возможности улучшения качества данных, получаемых при РСДБ и радиометрических наблюдениях, должны быть проверены при проведении плановых сеансов наблюдений на радиотелескопе.
Во второй главе разработана методика проектирования интегральногибридных микросборок ШПК для радиоастрономических приемников, обеспечивающая расширение полосы приема и динамического диапазона, снижение уровня собственных шумов и улучшения избирательности к внеполосным радиопомехам. Методика включает в себя обосновании схем микросборок, выбор элементов схем и подложек, разработку способов конструирования микросборок и монтажа элементов, расчет и экспериментальную проверку параметров устройств и их стабильности.
На основе этой методики разработана структура микросборки ШПК диапазона волн 3.5 см и выбрана элементная база. В состав ШПК (рис. 1) для улучшения согласования между отдельными каскадами схемы включены согласующие элементы (СЭ), в качестве которых в рассматриваемом диапазоне волн используются ферритовые микрополосковые вентили типа 3IMS86 (или 3IMS78 для полосы 2 ГГц).
Рис. 1. Схема микросборок ШПК: СЭ – согласующий элемент, УВЧ 1, УВЧ 2, и УПЧ усилители высокой и промежуточных частот, МКУ – модулятор коэффициента усиления, ППФ – полосно-пропускающий фильтр, УГC – усилитель гетеродинного сигнала.
Для расширения динамического диапазона усилитель высокой частоты должен состоять из малошумящих каскадов усиления (УВЧ 1) и каскадов с большим динамическим диапазоном при приемлемом уровне собственных шумов (УВЧ 2). Между ними установлены модулятор коэффициента усиления, необходимый для работы РПУ в режиме радиометра, и высокочастотный полосно-пропускающий фильтр (ППФ), определяющий основную частотную избирательность ШПК. В состав канала также должны входить широкополосный смеситель с усилителем гетеродинного сигнала (УГС) и сверхширокополосный усилитель промежуточных частот (УПЧ) для усиления сигнала в полосе выходных промежуточных частот.
Расчеты, проведенные для разных подложек и разных типов полосковых линий передачи, показали, что высокая точность изготовления топологических элементов схемы и удобство соединения с бескорпусными интегральными схемами (кристаллами) обеспечивает заземленная копланарная линия на подложке из материала RO3003 толщиной 0.254 мм.
Анализ элементной базы для ШПК диапазона волн 3.5см показал, что для УВЧ 1 целесообразно использовать кристалл FMA219, согласованный с помошью микрополосковых ферритовых вентилей. УВЧ 2 реализован на двух усилителях HMC462LP5 и HMC411LP3.
Модулятор собран из двух транзисторных коммутаторов HMC547LP3 и аттенюатора HMC 656, благодаря чему достигнуты высокая стабильность глубины модуляции, равномерность АЧХ в широкой полосе частот и малое время переключения. Исследование влияния нестабильности глубины модуляции на относительную погрешность измерения шумовой температуры сигнала показало, что где – номинальное значение глубины модуляции, – относительное отклонение глубины модуляции. Разработанный модулятор не вносит какихлибо заметных погрешностей при радиометрических измерениях ( 1.710-5). Моделированием схемы модулятора с учетом всех дополнительных элементов были определены значения проходных емкостей, при которых достигается максимальная полоса пропускания (6 ГГц) при высокой равномерности АЧХ.
Моделирование характеристик фильтра позволило определить взаимосвязь между ослаблением шумов зеркального канала зк и допустимыми пульсациями АЧХ. Требуемое значение зк (30 дБ) при полосе частот f = 900 МГц обеспечивает полосковый фильтр седьмого порядка с Чебышевской характеристикой I типа (рис. 2).
Рис. 2. Зависимости зк от пульсаций АП АЧХ Рис. 3. АЧХ и КСВ фильтра с фильтра с полосами пропускания 900 МГц полосой пропускания 2 ГГц.
(сплошные линии) и 2 ГГц (пунктирные).
В ШПК с полосой 2 ГГц для получения необходимого ослабления шумов зеркального канала фильтр следует дополнить двумя режекторными звеньями (рис. 3). При этом в полосе пропускания фильтра обеспечивается хорошее согласование: коэффициент стоячей волны (КСВ) менее 1.4.
Статистическое моделирование показало, что фильтр лучше всего изготавливать на диэлектрической подложке TMM10i толщиной 0.635 мм при волновых сопротивлениях резонаторов от 57 до 85 Ом, а топологию по пятому классу точности.
В двойном балансном смесителе на микросхеме HMC220MS комбинационные помехи подавлены более чем на 47 дБ. Слабая зависимость коэффициента передачи от мощности гетеродина и температуры (0.083 дБ/мВт и -0.004 дБ/°С) гарантирует высокую стабильность коэффициента усиления ШПК (меньше -0.06 дБ/°С).
Для получения равномерной АЧХ в полосе 100-2100 МГц УПЧ, реализованный на усилителе ERA-3SM, должен содержать двухконтурную Тобразную цепь коррекции наклона АЧХ, фильтр верхних частот пятого порядка на L, C чип-элементах и фильтр нижних частот на основе керамики с низкой температурой обжига LFCN-900 при полосе частот 900 МГц или LFCN-1800 при полосе 2 ГГц (рис. 4).
Рис.4 Частотные характеристики УПЧ с Рис.5 Микросборка ШПК диапазона волн полосами частот 900 МГц и 2000МГц без 3.5 см с открытой верхней крышкой цепей коррекции АЧХ (кривые 1 и 2) и с разработанными цепями коррекции (3 и 4).
Гибридно-интегральные микросборки ШПК (рис. 5) целесообразно конструировать в корпусах рамочного типа с единым металлическим основанием, а отдельные элементы схемы разделять стенкамиперегородками, что обеспечивает получение АЧХ с малой неравномерностью в полосе пропускания и хорошую экранировку отдельных узлов схемы.
Разработаны методы монтажа и соединения конструктивно разных элементов схемы. Экспериментальным путем отработана конструкция и технология установки ферритовых вентилей на общее основание ШПК и соединение его с центральным и заземленными проводниками копланарной линии, которые обеспечивают хорошее согласование и высокую надежность.
В результате экспериментальных исследований согласования кристаллов интегральных схем при разных способах их соединений с копланарной линией установлено, что высокое качество соединения обеспечивают два параллельно соединенных золотых проводника диаметром 17 мкм с высотой петли менее 300 мкм.
В начале третьей главы проведено экспериментальное исследование параметров ШПК диапазона волн 3.5 см с целью проверки правильности разработанной методики проектирования и заложенных схемотехнических и конструкторско-технологических решений, уточнения реально достижимых параметров и определения их стабильности.
Полосы пропускания разработанных микросборок ШПК диапазона волн 3.5 см расширены до 900 МГц (8.18-9.08 ГГц) и до 2 ГГц (8.18-10.2 ГГц), шумовая температура каналов снижена до 395 и до 450 K, динамический диапазон расширен на 10-13 дБ. Неравномерность АЧХ – 2 дБ в широкой полосе 2 ГГц (рис. 6).
Рис. 6. Коэффициенты усиления KУПЧ для ШПК с полосой 900 МГц (пунктирная линия) и 2 ГГц (сплошная).
«