Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения дальности до аэрологического радиозонда (АР") импульсным методом и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемопередающих систем. Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств радиозондов за счет создания схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего резко повысить стабильность рабочей частоты, мощности излучения, чувствительности, технологической прозрачности решения этой задачи, снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения передаваемой мощности в антенне и увеличения КПД, низкой стоимости аппаратных средств, построения конструктива, объединяющего в единое целое всю антенно-фидерную и приемопередающую часть, что значительно упрощает процесс настройки, а также возможность получения полного согласования электронных узлов между собой, что снижает ГМХ и повышает точность работы АРЗ. Приемопередающая система АРЗ и ее конструктив содержит блок метеовеличин, блок телеметрии, генератор суперируюшего напряжения, СВЧ-автогенератор, блок стабилизации тока коллектора, блок стабилизации напряжения, антенну, источник питания, времязадающую емкость, емкость блокировочную со следующими соединениями: выход блока метеовеличин через блок телеметрии соединен с входом генератора суперирующего напряжения, выход которого через времязадающую емкость связан с базой транзистора СВЧ-автогенератора, источник питания связан с блоком стабильного напряжения, первый выход которого связан со входами питания блоков телеметрии и генератора суперирующего напряжения, второй выход - с входом блока стабилизации тока, выходы которого соединены с базой транзистора СВЧ-автогенератора и его коллектором соответственно, к базе также подключена времязадающая емкость, а к коллектору - антенна, которая является выходом систем. Конструктив радиозонда содержит радиопрозрачный корпус с фалом для крепления шара-пилота, внутри корпус разделен на три отсека: для блока телеметрии, для батареи и системы АРЗ, блок телеметрии содержит внутри датчик давления, а датчики влажности и температуры вынесены с боку наружу через разъем, все электрические соединения между отсеками выполнены плоскими кабелями через разъемы, антенна приемопередающей системы помещена внутри радиопрозрачного корпуса во избежание механических повреждений, габариты корпуса выбираются минимальным и определяются габаритами электрорадиоэлементов, расположенных в отсеках, и их конструктивами. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для измерения дальности до аэрологического радиозонда (АРЗ) импульсным методом и передачи телеметрической информации на одной несущей частоте, также может быть использовано для построения высокостабильных и экономичных приемопередающих систем.

Общей проблемой приемопередающих систем АРЗ является создание недорогих устройств высокостабильных по радиопараметрам, т.е. независимых от окружающей температуры, изменения напряжения питания и изменения согласования с антенной (характера проводимости нагрузки).

Схемное решение в принципе может быть даже очень хорошим, но когда дело доходит до его практической реализации, то воплотить его в конкретное изделие с высоким техническими характеристиками (как было задумано) почти никогда не удается. Особенно это касается изделий СВЧ-диапазона. Поэтому в реалии техническое решение нужно объединять совместно с конструктивом: например, СВЧ-приемопередатчик на микрополосковых линиях (МПЛ), антенна АРЗ в предложенном конструктиве и конструктив их связи между собой.

Известны радиозонды фирмы VAISALA, в которых используется передающая система в непрерывном режиме для передачи измеренных метеовеличин в частотные телеметрические сигналы, см. ж. VAISALA News, 136, 1995, стр. 9-12, Финляндия, Хельсинки.

Недостатком данного радиозонда является схемная сложность каналов измерения метеовеличин, т.к. требуется высокая чувствительность измерения, например при измерении емкости при изменении температуры на 100^oК емкость датчика изменяется всего на 6-7 пф, низкая согласованность с передающей антенной, которая выполнена в виде простого нерегулируемого штыря.

Известен сверхрегенеративный приемопередатчик, содержащий соединенные последовательно генератор суперирующих импульсов, конденсатор, автогенератор и антенну, источник питания, первый выход которого соединен с вторыми выходами автогенератора и генератора суперирующих импульсов, причем автогенератор включает в себя транзистор и резонатор, входы и выходы которого являются одноименными входами и выходами автогенератора, а база, коллектор и эмиттер транзистора соединены соответственно с первым, вторым входами и вторым выходом резонатора, отличающийся тем, что с целью повышения стабильности параметров в него введен блок стабилизации среднего тока, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым и первым выходами источника питания, а первый и второй выходы - с вторым и первым входами автогенератора, см. патент РФ 1106262.

Недостатком данного изобретения является (при всех его положительных качествах) недостаточная стабильность частоты приема и излучения от температуры и других выходных параметров, т.е. их зависимость от окружающей среды, несогласованность приемопередающего тракта с антенной.

Известна система для радиозондирования атмосферы, см. заявку 93057438, определения составляющих скорости ветра и формирования высотных и пространственных профилей распределения параметров атмосферы, содержащая радиозонд, имеющий опорный генератор частоты, приемную антенну сигналов спутниковой навигационной системы, устройства для преобразования сигналов спутников и передачи этих сигналов и наземный пункт обработки метеоинформации, содержащий приемную антенну для приема сигналов от радиозонда, навигационную аппаратуру потребителей спутниковой системы и вычислительный комплекс, отличающийся тем, что в аппаратуре радиозонда ретрансляция сигналов спутников производится путем переноса спектра навигационных спутниковых сигналов на несущую частоту передатчика радиозонда вместе с формируемым в аппаратуре радиозонда опорным пилотсигналом, модулированным метеоданными, наземный приемный пункт дополнительно имеет устройство преобразования ретранслированных и опорного сигнала в диапазон навигационных сигналов спутников, включенное между приемной антенной и навигационной аппаратурой, которая по измеренным данным времен распространения сигналов от спутников до радиозонда и с учетом измерения доплеровских частот сигналов производит вычисление пространственных координат и составляющих вектора скорости радиозонда, которые поступают в вычислительный комплекс, где они обрабатываются совместно с выделенными из пилотсигнала данными метеоинформации для определения составляющих скорости ветра и формирования высотных и пространственных профилей распределения параметров атмосферы.

Недостатками системы при всей ее привлекательности являются: привязка к спутниковой навигационной системе (зависимость); схемная и конструктивная сложность, отсюда высокие ГМХ и высокая стоимость; наличие отдельного наземного пункта приема и вычисления; высокое энергопотребление; трудности обеспечения устойчивого изменения координат АРЗ из-за малого уровня сигналов (-150 - -160 дб/рт).

Известен "Радиозонд с использованием микропроцессора", см. патент США 4481514, который оснащен набором устройств для регистрации измеряемых данных. Они связаны с блоком, вырабатывающим последовательность электросигналов, воспроизводящих измеренные метеохарактеристики. Аналоговые сигналы преобразуются в импульсы двоичного кода. Между регистрирующими устройствами и преобразователем включен переключатель, последовательно соединяющий с преобразователем каждое из регистрирующих устройств. В радиозонде имеется блок формирования опорных сигналов, избирательно подключаемых к входу переключателя и входу преобразователя, так что переключатель в итоге соединяет одно из регистрирующих устройств с блоком формирования опорных сигналов, благодаря чему вырабатывается аналоговый сигнал, характеризующий метеопараметр, измеренный устройством, которое в данный момент подключено через переключатель ко входу преобразователя. Радиозонд содержит также микропроцессор (МП), функционально связанный с преобразователем аналоговых сигналов в дискретные. МП осуществляет обработку сигналов двоичного кода. Сигналы с МП поступают на передатчик, который транслирует на наземную станцию модулируемый обработанный МП двоичными сигналами - прототип.

Недостатками прототипа являются прямолинейное классическое построение электрической схемы, а МП используется как специализированная схема управления, переключения и преобразования и не более. Поэтому аппаратные достоинства МП для минимизации всей электронной схемы, а следовательно и для ГМХ, не используются. Передатчик построен также по традиционной схеме, работает только в режиме передачи (не используется принцип "запрос" с РЛС сопровождения - "ответ" с АРЗ), что влечет за собой временные и прочие затраты снижается точность измерения координат АРЗ.

Технической задачей изобретения является повышение эксплуатационных качеств радиозондов за счет: создания схемно-технического и конструктивного решения, позволяющего резко повысить стабильность рабочей частоты, мощности излучения, чувствительности; технологической прозрачности решения этой задачи; снижения уровня потребляемой мощности от источника питания за счет уменьшения передаваемой мощности в антенне и увеличения КПД; низкой стоимости аппаратных средств;
построения конструктива, объединяющего в единое целое всю антенно-фидерную и приемопередающую часть, что значительно упрощает процесс настройки, а также возможность получения полного согласования электронных узлов между собой, что снижает ГМХ и повышает точность работы АРЗ.

Для решения поставленной задачи предлагается приемопередающая система АРЗ и ее конструктив, содержащая блок метеовеличин, блок телеметрии, генератор суперирующего напряжения, СВЧ-автогенератор, блок стабилизации тока коллектора, блок стабилизации напряжения, антенну, источник питания, емкость в цепи базы, емкость блокировочную со следующими соединениями: выход блока метеовеличин через блок телеметрии соединен с входом генератора суперирующего напряжения, выход которого через времязадающую емкость связан с базой транзистора СВЧ-автогенератора, источник питания связан с блоком стабильного напряжения, первый выход которого связан со входами питания блоков телеметрии и генератора суперирующего напряжения, второй выход - с входом блока стабилизации тока, выходы которого соединены с базой транзистора СВЧ-автогенератора и его коллектором соответственно, к базе также подключена времязадающая емкость, а к коллектору - антенна, которая является выходом систем; первый СВЧ-генератор включает в себя и имеет следующий конструктив: СВЧ-транзистор, первый и второй четвертьволновые дроссели, третий и четвертый фиксированные дроссели, причем все дроссели выполнены на МПЛ, коллекторную и эмиттерную МПЛ, паразитную емкость, коллектор-эмиттер СВЧ-транзистора, паразитную индуктивность базы СВЧ-транзистора, все элементы включены и расположены на печатной плате таким образом, что образуют автогенератор; во втором СВЧ-автогенераторе включена МПЛ обратной связи и две емкости связи, причем МПЛ обратной связи включена между коллектором и эмиттером СВЧ-транзистора через емкости связи, выбор места включения которых определяет величину обратной связи; конструктив антенны включает в себя цилиндрический экран, контур СВЧ-модуля, выходной СВЧ-транзистор с переходной втулкой и трубкой для крепления антенны, отличающийся тем, что собственно антенна выполнена в виде несимметричного четвертьволнового вибратора, имеющего регулировочную шайбу, электрически связанную с вибратором скользящим контактом, помещенную на трубке на расстоянии h от цилиндрического экрана, причем регулировочная шайба имеет возможность перемещения по трубке, например, с помощью резьбового соединения, регулируя расстояние h между антенной и цилиндрическим экраном для регулировки коэффициента связи вибратора с контуром СВЧ-модуля, а регулировка длины вибратора при этом позволяет задавать либо индуктивный, либо емкостной характер сопротивления антенны; конструктив радиозонда содержит радиопрозрачный корпус с фалом для крепления шара-пилота, внутри корпус разделен на три отсека: для блока телеметрии, для батареи и системы АРЗ, блок телеметрии содержит внутри датчик давления, а датчики влажности и температуры вынесены с боку наружу через разъем, все электрические соединения между отсеками выполнены плоскими кабелями через разъемы, антенна приемопередающей системы помещена внутри радиопрозрачного корпуса во избежание механических повреждений, габариты корпуса выбираются минимальным и определяются габаритами электрорадиоэлементов, расположенных в отсеках, и их конструктивами.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема АРЗ; на фиг.2 и 3 - электрические принципиальные схемы вариантов СВЧ-генераторов по высокой частоте; на фиг. 4 - конструктив антенны АРЗ с регулируемой ДН; на фиг.5 - диаграммы направленности антенны АРЗ; на фиг.6 и 7 - графики зависимости активной и реактивной составляющей входного сопротивления антенны соответственно от длины вибратора и высоты подключения шайбы; на фиг.8 - конструктив непосредственно АРЗ; на фиг. 9 - временные диаграммы сигналов в основных точках структурной схемы, на которых изображено: 1 - блок датчиков метеовеличин, 2 - блок телеметрии, 3 - генератор суперирующего напряжения (суперирующих импульсов), 4 - СВЧ-автогенератор, 5 - блок стабилизации тока коллектора, 6 - блок стабилизированных напряжений, 7 - собственно приемопередающая система АРЗ, А - антенна, W1 и W2 - четвертьволновые дроссели на микрополосковых линиях (МПЛ), W3 и W4 - блокировочные реактивности меньше, чем четвертьволновые (также на МПЛ), Wэ и Wk - регулировочные МПЛ (f и мощность), Wос - МПЛ обратной связи, Lб - внутренняя паразитная индуктивность СВЧ-транзистора, вых СВЧ - выход автогенератора на антенну, "а" и "б" на фиг.5 - диаграммы направленности АРЗ при Н=0,1λ и Н=0,25λ.

Выход блока датчиков метеовеличин 1 через блок телеметрии 2 соединен с входом приемопередающей системы 7, а именно с модулирующим входом ГСН 3, выход которого через времязадающую цепь Rб - Сб соединен с базой СВЧ-транзистора автогенератора 4, коллектор которого соединен с антенной А, являющейся выходом системы, с блокировочным конденсатором Сбл и выходом блока стабилизации тока коллектора J к ср 5, блок стабилизации напряжения 6 имеет вход от источника питания (батарея) Епит и два выхода для питания блоков системы (+9 В и +24 В); СВЧ-автогенератор 4 (по первому варианту - фиг.2) содержит СВЧ-транзистор, первый и второй ¹/₄ дросселя W1 и W2, третий и четвертый блокировочные реактивности W3 и W4, емкости регулировочные ПЛМ-отрезки Wэ и Wк, также паразитные емкость Скэ и индуктивность L базы, соединенные следующим образом: четвертьволновые дроссели на МПЛ W1 и W2 соединены с эмиттером и коллектором СВЧ-транзистора соответственно одним концом, а другим - с фиксированными дросселями на МПЛ W3 и W4 также соответственно, эмиттер и коллектор СВЧ-транзистора соединены с регулировочными МПЛ-отрезками Wэ и Wк, последний является выходом автогенератора и соединен с антенной; СВЧ-генератор 4 (по второму варианту - фиг.3) имеет те же самые соединения за исключением: введен МПЛ-отрезок Woc и две емкости С связи, причем МПЛ-отрезок Woc через указанные емкости с двух своих концов соединен с эмиттером и коллектором СВЧ-транзистора; СВЧ-модуль содержит цилиндрический экран, внутри которого находится СВЧ-транзистор и печатная плата (на фиг.4 условно не показана), коллектор СВЧ-транзистора через втулку с шлицевыми разрезами и регулировочную шайбу соединен с антенной, выполненной в виде несимметричного вибратора, сама регулировочная шайба расположена в близи экрана с возможностью перемещения вдоль оси вибратора, позволяя регулировать его длину.

Система АРЗ работает следующим образом.

После включения приемопередатчика в установившемся режиме через СВЧ-транзистор автогенератора 4 протекает средний коллекторный ток Jк ср, задаваемый блоком стабилизации 5 среднего тока, который вместе с конденсатором Сб образует цепь автоматического смещения автогенератора 4. Генератор суперирующих импульсов 3, обладающий очень малым выходным сопротивлением (импедансом), вырабатывает прямоугольную импульсную последовательность Uc (t) с амплитудой Uc, длительностью τ₀ и периодом Тс (см. фиг.2с).

Запуск автогенератора 4 происходит при превышении управляющим напряжением база-эмиттер Uбэ (t) СВЧ-транзистора уровня Еб (уровня отпирания транзистора, см. фиг. 9г). В момент возникновения автоколебаний через СВЧ-транзистор протекает коллекторный ток Jк (t), равный пусковому значению Jп, причем граничный коллекторный ток самовозбуждения соответствует уровню Jгр (см. фиг.9в). Если пусковой ток Jп превышает величину Jгр автогенератора 4, возникают автоколебания, амплитуда, которых возрастает по экспоненциальному закону от уровня флюктуационных шумов Аo до значения стационарной амплитуды Аcт (см. фиг.9б). Вследствие жесткого режима самовозбуждения автогенератора 4 постоянная составляющая коллекторного тока СВЧ-транзистора возрастает синхронно с нарастанием амплитуды автоколебаний А (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. 9с и б). Величина τ_з определяется уровнем флюктуационного шума Аo и величиной отрицательного затухания, вносимого СВЧ-транзистором в колебательный контур автогенератора 4, которая определяется величиной пускового тока Jп (см.фиг.9б). При отсутствии сигнала, поступающего через антенну А в автогенератор 4, величина флюктуационного шума Ао постоянна и величину τ_и можно регулировать уровнем пускового тока. Увеличение пускового тока Jn приводит к увеличению модуля отрицательного сопротивления контура автогенератора 4 и соответственно к уменьшению времени задержки τ_з и наоборот, уменьшение пускового тока Jп приводит к увеличению τ_з и при τ_з≥τ_c автоколебания в автогенераторе 4 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.9в и с). Эффект сверхгенеративного усиления внешнего сигнала Uз (t) (см. фиг.9а) заключается в том, что при его появлении в автогенераторе 4 возрастание амплитуды автоколебаний начинается не с уровня флюктуационных шумов Ао, а с уровня сигнала Ас (см. фиг.9б), 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 А в ответ на принятый сигнал Uз (t) (см. фиг.9б). В дальнейшем приращение Δτ_з будем называть первичной реакцией сверхрегенеративного приемопередатчика на запросный сигнал. Величина Δτ_з является полезным эффектом усиления запросного сигнала Uз (t) и характеризует чувствительность СПП.

Для простоты рассуждений далее предположим, что выходное сопротивление ГСИ 3 равно нулю, а выходы блока 6 зашунтированы по переменной составляющей тока. Тогда постоянная времени цепи автоматического смещения автогенератора 4 равна произведению емкости конденсатора Сбл на эквивалентное выходное сопротивление блока 5. Величина этой постоянной времени выбирается больше периода следования импульсов ГСИ 3. В течение длительности радиоимпульса конденсатор С заряжается током базы СВЧ-транзистора, в результате чего формируется запирающее напряжение ΔU (см. фиг.9д). Разряд конденсатора С происходит в интервале демпфирования τ_д (см. фиг.9е) в течение времени задержки τ_з. В установившемся режиме напряжение на конденсаторе С имеет постоянную и переменную составляющие Есб и ΔU (см.фиг.9д) соответственно, поэтому плоская часть импульса управляющего напряжения Uбэ имеет нарастающий и падающий участки, а среднее значение импульсного напряжения смещается в запирающем направлении на величину Есб=Uc-Еб (см. фиг.9г). Во время первичной реакции Δτ_з цепь автоматического смещения дополнительно заряжается на величину ΔU1, поэтому при поступлении следующего суперирующего импульса Uc (t) управляющее напряжение (на базе СВЧ-транзистора) будет меньше на величину ΔU1 (см. фиг. 9д), что приводит к уменьшению пускового тока на величину ΔJп (см. фиг.9в) и, как было отмечено ранее, вызывает увеличение времени задержки τ_з очередного радиоимпульса на величину Δτ_з (см.фиг.9б). При достаточно большом значении ΔU1 и выполнении условия Δτ_з>τ_н 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_з и Δτ_з соответственно. При заданной величине запросного сигнала Ес величины Δτ_з и Δτ_з пропорциональны времени задержки Δτ_з, поэтому для повышения чувствительности необходимо увеличивать Δτ_з, что можно достигнуть приближением пускового тока Jп к значению граничного тока Jгр.

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 характериcтики (АЧХ) СПП, соответственно частота излучения - как частота максимума спектра излучения СПП. 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. Таким образом 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 Jк. Выполнение автогенератора 4 по любой из схем фиг.2 или 3 позволяет совместить частоты приема и излучения, основным условием совмещения является выполнение баланса фаз
ϕ_к+ϕ_т+ϕ_э+ϕ_н = 0;
где
ϕ_{к =} - сдвиг фазы в коллекторном контуре;
ϕ_э - сдвиг фазы в эмиттерном контуре;
ϕ_т - сдвиг фазы в СВЧ-транзисторе;
ϕ_н - сдвиг фазы в нагрузке.

Это легко выполняется при окончательной настройке СПП после изготовления, чему способствует выполнение автогенератора 4 на микрополосковых 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.

Особенностью конструктива модуля антенной системы является отсутствие органов точной настройки частоты и режима. Рабочая частота модуля может иметь смещение относительно номинального значения частоты 1782 МГц ± 20 МГц. Режим работы модуля ориентировочно подбирается при работе на согласованную нагрузку 50 Ом путем регулировки Wэ и Wк так, чтобы пусковой ток находился в пределах от 3 до 15 мА, а fпр=fизл. Окончательно индивидуальная настройка частоты и чувствительности модуля осуществляется путем регулировки импенданса нагрузки, которой является антенная система, при окончательной настройке АРЗ чувствительность СПП регулируется путем изменения Rб. Для определения необходимого диапазона регулировки импеданса антенны для опытной партии модулей с помощью измерительной линии, имитирующей реальную нагрузку, была осуществлена настройка частоты и режима работы опытной партии СПП. Было установлено, что для настройки приборов, учитывающей разброс параметров модулей, требуется независимо регулировать модуль к.с.в. в пределах от 1 до 2,5 и фазу к.с.в. в пределах от 0 до 2π. Поэтому конструкция антенной системы должна предусматривать регулировку входного импеданса в соответствии с указанными требованиями. Другим требованием, предъявляемым к антенной системе, является формирование диаграммы направленности, позволяющей рационально использовать излучаемую радиозондом мощность в течение всего полета. Из большого качества рассмотренных конструкций антенн автором был предложен вариант, изображенный на фиг. 4. Антенная система выполнена в виде несимметричного четвертьволнового вибратора, расположенного над цилиндрическим экраном диаметром 100-120 мм. Вибратор снабжен регулировочной шайбой, электрически связанной с вибратором скользящим контактом. В отличие от известных конструкций подобных антенн регулировочная шайба расположена вблизи экрана. Ее перемещение вдоль оси вибратора позволяет регулировать коэффициент связи вибратора с контуром СВЧ-модуля, а регулировка длины вибратора позволяет задавать либо индуктивный, либо емкостной характер входного сопротивления антенны. СВЧ-модуль соединен с экраном при помощи втулки со шлицевыми разрезами, обеспечивающими прижимной контакт между втулкой и коаксиальным выводом СВЧ-модуля. Центральный проводник вывода соединен с вибратором антенны с помощью трубочки.

Диаграмма направленности (ДН) такой антенной системы в вертикальной плоскости изображена на фиг.5. Положение главных лепестков ДН можно регулировать в некоторых пределах высотой цилиндрической поверхности экрана. В горизонтальной плоскости ДН имеет равномерное распределение и приближается по форме к окружности. Экспериментальные запуски радиозондов с разработанной антенной показали, что колебания уровня сигнала, связанные с вращением и раскачиванием радиозонда в полете, вполне приемлемы.

На фиг.8 антенная система в виде вибратора расположенна под плоским экраном. ДН занимает фиксированное положение (б) фиг.5.

На фиг.6 и 7 изображены экспериментально снятые зависимости для активной (R) и реактивной (X) составляющих входного сопротивления антенны. Зависимости сняты для диаметра шайбы d=20 мм. Регулировка положения шайбы по высоте производилась в пределах h=2-10 мм, а регулировка длины вибратора в пределах {=36-52 мм. При этом активное сопротивление изменяется в пределах от 15 до 120 Ом, а реактивное от -54 Ом до + 65 Ом. Модуль к.с.в. антенной системы с соответствующим запасом может регулироваться в пределах от 1 до 3-4. Это позволяет осуществлять точную настройку частоты и режима СПП в составе радиозонда в условиях производства.

Компановка радиозонда изображена на фиг.8. Электронный блок радиозонда, состоящий из приемопередающей системы и телеметрического узла, батарея питания расположены внутри защитного пенопластового радиопрозрачного корпуса (крышка условно не показана). Датчик температуры и влажности укреплены на крышке контейнера с помощью штанги. Датчик давления прикреплен непосредственно в отсеке телеметрии. С телеметрическим узлом радиозонда датчики соединены тонкими проводниками, снабженными разъемами. При сборке радиозонда контейнер и крышка соединяются с помощью шнура, который привязывается к фалу шара-пилота.

Таким образом, разработанная конструкция радиозонда отвечает основным требованиям, предъявляемым к данному типу приборов. В частности она обеспечивает минимальную полетную массу радиозонда (около 300-350 г) и имеет сравнительно простую электрическую схему, позволяющую обеспечить требуемые параметры. Другом достоинством конструкции является минимальное количество регулируемых элементов, а также сравнительная простота настроечных операций.

Данный приемопередатчик обеспечивает точное измерение наклонной дальности до 200-300 км с погрешностью не хуже ±30 м при малом уровне запросной мощности. Импульсная мощность наземного передатчика 200 Вт, средняя - 0,1 Вт. Передатчик телеметрических сигналов осуществляется на этой же частоте путем частотной модуляции суперирующих импульсов, т.е на одной несущей частоте осуществляется измерение всех координат АРЗ: угол места, азимут, дальность и осуществляется передача телеметрических сигналов метеовеличин.

Применение СПП в АРЗ позволяет осуществить совмещенный радиоканал.

Также следует отметить, что для использования данного конструктива АРЗ в качестве ветрового просто убираются датчики (вынимаются из разъема) температуры и влажности.

Дополнительно заметим, что настройка системы довольно проста и заключается в следующем. Выходное сопротивление ГСН 3 принципиально близко к нулю, т. е. d Uгсн/d Jгсн -> 0, и для того чтобы учесть индивидуальные характеристики СВЧ-генератора (в основном разброс коэффициентов усиления по току - β), введен переменный резистор Rб, который и позволяет подобрать оптимальную величину Rвых ГСН 3 и тем самым регулировать чувствительность СПП. Если Rб взять довольно большим, то требуется и большой пусковой ток транзистора СВЧ АГ 4, т.е. низкая чувствительность, если же взять близким к нулю, то начинают влиять шумы, т.е. высокая чувствительность, следовательно нужен компромис. Стабилизация среднего тока Jк ср позволяет упростить настройку изменением Rб. Антенная настройка (регулировочная шайба) позволяет легко регулировать частоту и выходную мощность, таким образом число регулировок равно числу параметров АРЗ.

Формула изобретения

1. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив, содержащая блок метеовеличин, блок телеметрии, генератор суперирующего напряжения, СВЧ-автогенератор, блок стабилизации тока коллектора, блок стабильного напряжения, антенну, источник питания, времязадающую емкость, емкость блокирующую со следующими соединениями: выход блока датчиков метеовеличин через блок телеметрии соединен с входом генератора суперирующего напряжения, выход которого через времязадающую цепь связан с базой транзистора СВЧ-автогенератора, источник питания связан с блоком стабильного напряжения, первый выход которого связан со входами питания блоков телеметрии и генератора суперирующего напряжения, второй выход - с входом блока стабилизации тока, выходы которого соединены с базой транзистора СВЧ-автогенератора и его коллектором соответственно, к коллектору также подключена антенна, которая является выходом системы.

2. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив по п.1, отличающаяся тем, что СВЧ-автогенератор, состоит из СВЧ-транзистора первого и второго четвертьволновых дросселей, третьего и четвертого фиксированных дросселей, причем все дроссели выполнены на микрополосковых линиях (МПЛ), коллекторной и эмиттерной МПЛ, паразитной емкости коллектор-эмиттер СВЧ-транзистора, паразитной индуктивности базы СВЧ-транзистора, соединенных следующим образом: четвертьволновые дроссели соединены с эмиттером и коллектором СВЧ-транзистора соответственно одним концом, а другим - с фиксированными дросселями, эмиттер и коллектор СВЧ-транзистора соединены с регулировочными эмиттерным и коллекторным МПЛ-отрезками соответственно, последний является выходом автогенератора и соединен с антенной.

3. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в СВЧ-автогенератор включена МПЛ обратной связи и две емкости связи, причем МПЛ обратной связи соединена через указанные емкости с двух своих концов с эмиттером и коллектором СВЧ-транзистора через емкости связи, выбор места включения которых определяет величину обратной связи.

4. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив по п. 1, отличающаяся тем, что антенна выполнена в виде несимметричного четвертьволнового вибратора, имеющего регулировочную шайбу, электрически связанную с вибратором, скользящим контактом помещенную на трубке на расстоянии h от цилиндрического экрана, причем регулировочная шайба имеет возможность перемещения по трубке, например, с помощью резьбового соединения, регулируя расстояние h между антенной и цилиндрическим экраном для регулировки коэффициента связи вибратора с коллектором транзистора СВЧ-автогенератора, а регулировка длины вибратора при этом позволяет задавать либо индуктивный, либо емкостный характер сопротивления антенны.

5. Приемопередающая система аэрологического радиозонда и ее конструктив по п.1 или 4, отличающаяся тем, что содержит радиопрозрачный корпус с фалом для крепления шара-пилота, внутри корпус разделен на три отсека: для блока телеметрии, для батареи и системы аэрологического радиозонда, блок телеметрии содержит внутри датчик давления, а датчики влажности и температуры вынесены с боку наружу через разъем, все электрические соединения между отсеками выполнены плоскими кабелями через разъемы, антенна приемопередающей системы помещена внутри радиопрозрачного корпуса во избежание механических повреждений, габариты корпуса выбираются минимальными и определяются габаритами электрорадиоэлементов, расположенных в отсеках, и их конструктивами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9