В.Я. Носков1, Е.В. Богатырев2, Р.Г. Галеев3, К.А. Игнатков4, К.Д. Шайдуров5

1,4,5 Уральский федеральный университет (УрФУ) (г. Екатеринбург, Россия)

2 Сибирский федеральный университет (СФУ) (г. Красноярск, Россия)

3 АО «НПП «Радиосвязь»; Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск, Россия)

Постановка проблемы. Автодины (АД) благодаря простоте конструкции, низкой стоимости, малым габаритным размерам и весу находят широкое применение в системах ближней радиолокации (СБРЛ) различного назначения. Однако в плане реализации автодинных СБРЛ совмещение в одном каскаде – автогенераторе – одновременно функций приемника и передатчика создает проблему выбора оптимального режима его работы, при котором обеспечиваются наилучшие характеристики АД как радиолокатора, поскольку для каждой из указанных функций АД оптимальные режимы автогенератора могут значительно отличаться. Понятно, что сложность анализа автодинной системы дополнительно возрастает в условиях модуляции какого-либо параметра генератора – частоты, амплитуды и/или фазы. При этом необходимо учитывать реальную взаимную зависимость этих параметров между собой, а также их зависимость от изменений внешних параметров системы – скорости движения объекта локации и расстояния до него.

Цель. Обобщить и представить результаты исследований сигнальных характеристик автодинного генератора, находящегося под воздействием собственного отраженного излучения с комбинированной амплитудно-частотной модуляцией.

Результаты. Получены основные соотношения для анализа автодинного отклика одноконтурного генератора в зависимости от величины времени запаздывания отраженного излучения при произвольном законе одновременной частотной (ЧМ) и
амплитудной (АМ) модуляцией. Выполнены расчеты характеристик амплитудной селекции сигналов автодинных генераторов для случая применения гармонического закона ЧМ и АМ. Установлены особенности формирования сигналов при различных значениях величин сопутствующих АМ и ЧМ излучения и параметра обратной связи системы «генератор – объект локации». Отметим, что результаты экспериментальных исследований, выполненные на примере гибридно-интегрального генератора «Тигель-0,8М» с мезапланарным диодом Ганна 8-миллиметровом диапазона, подтвердили выводы, сделанные из  теоретического анализа.

Практическая значимость. Результаты исследований позволяют, исходя из заданных параметров используемых генераторов, рассчитать сигнальные характеристики АД и характеристики селекции объекта локации, необходимые для их правильного использования в перспективных СБРЛ. Кроме того, сформулированы основные требования и рекомендации к автодинным модулям, предназначенным для СБРЛ с АМ и ЧМ.

Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 14. Автодины с амплитудно-частотной модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. T. 76. № 8. С. 17–51. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202208-02

1. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 1. Конструкторско-технологические достижения // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. № 12. С.3–30.
2. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 2. Теоретические и экспериментальные исследования // Успехи
   современной радиоэлектроники. 2007. № 7. С. 3–33.
3. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 3. Функциональные особенности автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2007. № 11. С. 25–49.
4. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 4. Исследования многочастотных автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2008. № 5. С. 65–88.
5. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 5. Исследования автодинов с частотной модуляцией // Успехи
   современной радиоэлектроники. 2009. № 3. С. 3–50.
6. Носков В.Я., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 6. Исследования радиоимпульсных автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. № 6. С. 3–51.
7. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 7. Динамика формирования автодинных и модуляционных характеристик // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 6. С. 3–52.
8. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 8. Автодины со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором // Успехи современной радиоэлектроники. 2013. № 12. С. 3–42.
9. Носков В.Я., Варавин А.В., Васильев А.C., Ермак Г.П., Закарлюк Н.М., Игнатков К.А., Смольский С.М. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 9. Радиолокационное применение автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 3. С. 32–86.
10. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Мишин Д.Я., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 10. Основы анализа и расчета параметров автодинов с учетом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18–52.
11. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Мишин Д.Я., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 11. Основы реализации автодинов // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 2. С. 5–33. DOI: 10.18127/j20700784-201902-01.
12. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 12. Сигналы одноконтурных автодинов при сильном отраженном излучении // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 5. С. 5–19. DOI: 10.18127/j20700784-201905-01.
13. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Современные гибридно-интегральные автодинные генераторы микроволнового и миллиметрового диапазонов и их применение. Ч. 13. Стабилизированные внешним резонатором автодины при сильном отраженном излучении // Успехи современной радиоэлектроники. 2020. № 1. С. 5–21. DOI 10.18127/j20700784-202001-01.
14. Page C.H., Astin A.V. Survey of proximity fuze development // American Journal of Physics. 1947. V. 15. № 2. P. 95–110. DOI: 10.1119/1.1990930.
15. Носков В.Я. История зарождения и развития автодинных радиовзрывателей // Материалы 23-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2013). Севастополь. 2013. С. 26–29.
16. Коган И.М. Ближняя радиолокация. Теоретические основы. М.: Сов. радио. 1973.
17. Nagano S., Akaiwa Y. Behavior of Gunn diode oscillator with a moving reflector as a self-excited mixer and a load variation detector. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1971. V. 19. № 12. P. 906–910. DOI: 10.1109/TMTT.1971.6373339.
18. Takayama Y. Doppler signal detection with negative resistance diode oscillators // IEEE Trans. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1973. V. 21. № 2. P. 89–94. DOI: 10.1109/TMTT.1973.1127929.
19. Gupta M-S., Lomax R.J., Haddad G.I. Noise consideration in self-mixing IMPATT-diode oscillators for short-range Doppler radar applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1974. V. 22. № 1. P. 37–43. DOI: 10.1109/TMTT.1974.1128158.
20. Nygren T., Sjolund A. Sensitivity of Doppler radar with self-detecting diode oscillators // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1974. V. 22. № 5. P. 494–498. DOI: 10.1109/TMTT.1974.1128268
21. Kotani M., Mitsui S., Shirahata K. Load-variation detector characteristics of a detector-diode loaded Gunn oscillator // Electronics and Communications in Japan. 1975. V. 58-B. № 5. P. 60–66.
22. Somekh M.G., Richmond W., Moroz J., Lazarus M.T. Development of pulsed self-oscilating mixer // Electronics Letters. 1980. V. 16. № 15. P. 597–599. DOI: 10.1049/el:19800414.
23. Хотунцев Ю.Л., Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь. 1982.
24. Богачев В.М., Лысенко В.Г., Смольский С.М. Транзисторные генераторы и автодины. М.: МЭИ. 1993.
25. Komarov I.V., Smolskiy S.M. Fundamentals of Short-Range FM Radar. Artech House, Norwood, MA, USA. 2003.
26. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скриполь Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 2003.
27. Кантор А.В. Аппаратура и методы измерений при испытаниях ракет. М.: Оборонгиз. 1963.
28. Лушев В.П., Воторопин С.Д., Дерябин Ю.Н., Журинов Ю.Б., Потапов М.Г. Автодинные СВЧ датчики перемещения для измерения скорости горения высокоэнергетических композиционных материалов // Материалы 15-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2005). Севастополь. 2005. С. 831–833.
29. Alidoost S.A., Sadeghzade R., Fatemi R. Autodyne System with a Single Antenna // 11th International Radar Symposium (IRS-2010). Vilnius, Lithuania. 2010. V. 2. P. 406–409.
30. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А. Принцип построения бортового радиолокационного датчика для обнаружения быстродвижущихся целей // Успехи современной радиоэлектроники. 2019. № 12. С. 16–22. DOI: 10.18127/j20700784-201912-03.
31. Гершензон Е.М., Туманов Б.Н., Бузыкин В.Т., Калыгина В.М., Левит Б.И. Общие характеристики и особенности автодинного эффекта в автогенераторах // Радиотехника и электроника. 1982. V. 27. № 1. P. 104–112.
32. Armstrong B.M., Brown R., Rix F., Stewart J.A.C. Use of microstrip impedance-measurement technique in the design of a BARITT diplex Doppler sensor // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1980. V. 28. № 12. P. 1437–1442. DOI: 10.1109/TMTT.1980.1130263.
33. Efanov A.A., Diskus C.G., Stelzer A., Thim H.W., Lubke K., Springer A.L. Development of a low-cost 35 GHz radar sensor // Annals of Telecommunications. 1997. V. 52. № 3. P. 219–223. DOI: 10.1007/BF02996047.
34. Закарлюк Н.М., Носков В.Я., Смольский С.М. Автодинные датчики для железнодорожных переездов // Материалы 20-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2010). Севастополь. 2010. С. 1072–1076.
35. Ermak G.P., Popov I.V., Vasiliev A.S., Varavin A.V., Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Radar sensors for hump yard and rail crossing applications // Telecommunication and Radio Engineering. 2012. V. 71. № 6. P. 567–580. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v71.i6.80.
36. Закарлюк Н.М., Носков В.Я., Смольский С.М. Бортовые автодинные датчики скорости для аэробаллистических испытаний // Материалы 20-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2010). Севастополь. 2010. С. 1065–1068.
37. Носков В.Я. Автодинная радиоблокировка 8-мм диапазона для проведения баллистических испытаний // Материалы 23-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2013). Севастополь. 2013. С. 1041.
38. Носков В.Я. Автодинная система для определения скорости изделий c траекторией вблизи поверхности земли // Материалы 24-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2014). Севастополь. 2014. С. 1031–1032.
39. Носков В.Я. Автодинный датчик для контроля внутренних размеров металлических изделий // Материалы 25-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2015). Севастополь. 2015. С. 973–974.
40. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Применение двухдиодных автодинов в устройствах радиоволнового контроля размеров изделий // Измерительная техника. 2016. № 7. С. 24–28.
41. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Двухдиодный автодинный датчик внутренних размеров металлических изделий // Материалы 28-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2018). Москва; Минск; Севастополь. 2018. Т. 6. С. 1436–1442.
42. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат. 1989.
43. Усанов Д.А., Тупикин В.Д., Скрипаль А.В., Коpотин Б.Н. Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах для создания устройств радиоволнового контроля // Дефектоскопия. 1995. № 5. С. 16–20.
44. Усанов Д.А. Ближнеполевая сканирующая СВЧ-микроскопия и области ее применения. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та. 2010.
45. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Коротин Б.Н., Феклистов В.Б., Пономарев Д.В., Фролов А.П. Ближнеполевая СВЧ-микроскопия нанометровых слоев металла на диэлектрических подложках // Известия вузов. Электроника. 2011. № 5 (91). С. 83–90.
46. Lazarus M.J., Pantoja F.P., Somekh M., Novak S., Margison S. Nеw direction-of-motion Doppler detector // Electronics Letters. 1980. V. 16. № 25. P. 953–954. DOI: 10.1049/el:19800679.
47. Yasuda A., Kuwashima S., Kanai Y. A ship borne-type wave-height meter for oceangoing vessels, using microwave Doppler radar // IEEE Journal of Oceanic Engineering. 1985. V. 10. № 2. P. 138–143. DOI: 10.1109/JOE.1985.1145094.
48. Kim S., Nguyen C.A. Displacement measurement technique using millimeter-wave interferometry // IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 2003. V. 51. № 6. P. 1724–1728. DOI: 10.1109/TMTT.2003.81.812575.
49. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Постельга А.Э. Сверхвысокочастотный автодинный измеритель параметров вибраций // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 5. С. 1–5.
50. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Двухдиодный автодин в системах радиоволнового контроля динамических процессов // Датчики и системы. 2016. № 6 (204). С. 31–37.
51. Чернявский А.Ж., Данилин С.А., Ворох Д.А., Данилин А.И. Применение первичных автодинных СВЧ преобразователей для диагностирования установок и оборудования энергетического и транспортного машиностроения // Датчики и системы. 2021. № 3. С. 23–36.
52. Mirsaitov F.N., Safonova E.V., Boloznev V.V. Microwave autodyne vibrosensor in aeroengine diagnostics // European Frequency and Time Forum (EFTF). 2014. P. 140–143. DOI: 10.1109/EFTF.2014.7331447.
53. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Постельга А.Э. Радиоволновая интерферометрия движений тела человека, связанных с дыханием и сердцебиением // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. 2005. № 11–12. С. 44–51.
54. Usanov D.A., Postelga A.E. Reconstruction of complicated movement of part of the human body using radio wave autodyne signal // Biomedical Engineering. 2011. V. 45. № 1. P. 6–8. DOI: 10.1007/s10527-011-9198-9.
55. Kim S., Kim B.-H., Yook J.-G., Yun G.-H. Proximity vital sign sensor using self-oscillating mixer // URSI Asia-Pacific Radio Science Conference (URSI AP-RASC). 2016. P. 1446–1448. DOI: 10.1109/URSIAP-RASC.2016.7601402.
56. Ветрова Ю.В., Дорошенко А.А., Постельга А.Э., Усанов Д.А. Дистанционный контроль движения поверхности объекта с использованием двухканального СВЧ-автодинного генератора // Радиотехника и электроника. 2019. Т. 64. № 4. С. 387–395.
57. Landa P.S. Nonlinear Oscillations and Waves in Dynamical Systems. Springer-Science+ Business Media, B.V. 1996.
58. Дамгов В.Н. Нелинейни и параметрични явления в радиофизически системи. София: Академично издательство «Проф. М. Дринов». 2000.
59. Кальянов Э.В. Автопараметрическая система с запаздыванием // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. № 8. С. 1–5. DOI: 10.1134/S1063784207080014.
60. Jefford. P.А., Howes M.S. Modulation schemes in low-cost microwave field sensor // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1985. V. 31. № 8. P. 613–624. DOI: 10.1109/TMTT.1983.1131559.
61. Varavin A.V., Vasiliev A.S., Ermak G.P., Popov I.V. Autodyne Gunn-diode transceiver with internal signal detection for short-range linear FM radar sensor // Telecommunication and Radio Engineering. 2010. V. 69. № 5. P. 451–458. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v69.i5.80.
62. Носков В.Я., Смольский С.М. Автодинный эффект в генераторах с амплитудной модуляцией // Радиотехника. 2011. № 2. С. 21–36. http://radiotec.ru/article/8545.
63. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А. Влияние сопутствующей модуляции частоты колебаний амплитудно-модулированного генератора на формирование автодинных сигналов // Ural Radio Engineering Journal. 2020. Т. 4. № 1. С. 51–83. DOI: 10.15826/urej.2020.4.1.004.
64. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Влияние сопутствующей амплитудной модуляции на формирование сигналов автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией // Ural Radio Engineering Journal. 2020. Т. 4. № 2. С. 127–166. DOI: 10.15826/urej.2020.4.2.001.
65. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Математическая модель автодина с комбинированной амплитудно-частотной модуляцией излучения // Материалы 30-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2020). Севастополь: СевГУ. 2020. С. 384–385.
66. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Расчет автодинного отклика амплитудно-модулированного СВЧ генератора при наличии частотной модуляции излучения // Материалы 30-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2020). Севастополь: СевГУ. 2020. С. 386–387.
67. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Отклик автодина с частотной модуляцией при наличии паразитных изменений амплитуды колебаний // Материалы 30-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2020). Севастополь: СевГУ. 2020. С. 388–389.
68. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Результаты экспериментальных исследований автодина на диоде Ганна с амплитудно-частотной модуляцией // Материалы 30-й Междунар. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2020). Севастополь: СевГУ. 2020. С. 390–391.
69. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D., Ermak G.P., Bogatyrev E.V. Influence of accompanying AM on the formation of signals from autodyne short-range sensors with FM // Telecommunication and Radio Engineering. 2020. V. 79. № 16. P. 1397–1424. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v79.i16.10.
70. Noskov V.Ya., Galeev R.G., Bogatyrev E.V., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. Autodyne sensor signals with amplitude-frequency modulation of radiation // Sensors. 2020. V. 20(24). № 7077. 18 p. DOI: 10.3390/s20247077.
71. Остапенков П.С. Радиосигналы с комбинированной частотно-амплитудной модуляцией для быстродействующих радиотехнических устройств: дис. … канд. техн. наук: 05.12.04. Москва. 2006.
72. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Vasiliev A.S., Ermak G.P., Smolskiy S.M. Signals of autodyne sensors with sinusoidal frequency modulation // Radioengineering, 2017. V. 26. № 4. P. 1182–1190. DOI: 10.13164/re.2017.1182.
73. Смольский С.М., Соловьев М.А. Малосигнальная теория транзисторного автодина с частотной модуляцией. Радиопередающие и радиоприемные устройства // Труды МЭИ. 1977. Вып. 317. С. 12–14.
74. Закарлюк Н.М. Спектр автодинного отклика генератора с частотной модуляцией. Применение радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Харьков: ИРЭ АН Украины. 1991. С. 56–65.
75. Pat. US2424263. Radio system for distance and velocity measurement / Woodyard J.R. filed Feb. 23, 1943.
76. Шаров Ю.В., Кислов О.А. Об одном способе измерения малых дальностей. Радиоприемные устройства. М.: Труды МЭИ. 1972. Вып. 110. С. 63–67.
77. Разгоняев Ю.В. Об определении расстояния до движущегося объекта рециркуляционным методом. Методы и устройства формирования и обработки сигналов. М.: Труды МЭИ. 1979. Вып. 418. С. 21–24.
78. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Зависимость автодинных характеристик от внутренних параметров СВЧ генераторов // Радиотехника. 2012. № 6. С. 24–46.