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) с частотной модуляцией (ЧМ) относятся к классу автопараметрических систем ближней радиолокации (СБРЛ) с запаздывающей обратной связью, у которых под воздействием собственного отраженного от объекта локации излучения происходят автодинные изменения параметров генератора: амплитуды и частоты колебаний. Эти изменения вызывают специфические искажения в формировании сигнальных и шумовых характеристик. Данное явление, свойственное всем типам генераторов при всех законах и методах ЧМ, создает проблемы при обработке сигналов, сужает
динамический диапазон автодинной системы и ограничивает область применения АД, особенно в диапазонах миллиметровых и более коротких волн. С уменьшением длины волны излучения период автодинного сигнала становится соизмеримым или даже меньше времени запаздывания отраженного излучения. Для таких условий на сегодня отсутствует математическая
модель АД с ЧМ, обеспечивающая адекватное описание полученных результатов экспериментально наблюдаемых явлений и поиск путей решения указанной проблемы.

Цель. Обобщить результаты исследований, связанных с разработкой математической модели АД с ЧМ на основе методов теории систем с запаздыванием, и на ее основе выполнить исследования сигнальных и шумовых характеристик автодинного генератора, находящегося под воздействием собственного отраженного излучения с различными законами ЧМ, а также рассмотреть влияние нелинейности модуляционной характеристики реальных генераторов на формирование автодинных сигналов.

Результаты. Представлено общее решение системы уравнений для одноконтурного генератора с ЧМ, учитывающее собственные шумы, а также произвольное соотношение времени запаздывания отраженного излучения и периода автодинного сигнала. Приведены результаты исследований зависимости формы сигналов и особенностей формирования шумовых характеристик АД от параметров ЧМ, ее закона и расстояния до объекта локации, а также влияние параметра обратной связи системы «генератор – объект локации» и нелинейности модуляционной характеристики на формирование автодинных сигналов. Результаты экспериментальных исследований, выполненные на примере генератора на диоде Ганна 8-миллиметрового диапазона, подтвердили выводы теоретического анализа.

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

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. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Современные гибридно-интегральные автодинные генера-торы 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
15. Patent US2011392A. Airplane altitude indicating system / Bentley J.O. Aug. 13, 1935.
16. Patent US2045071A. Altimeter for aircraft / Espenschied L. June 23, 1936.
17. Patent US4973967A. Radioaltimeter type of detector and a proximity fuse equipped with such a detector / David J., Crampagne R., Baricos J. Nov. 27, 1990.
18. Patent US5266957A. Proximity fuze transceiver / Bosch D.M., Loughran S.J., Thomas S.M. Nov. 30, 1993.
19. Patent DE3319767B3. Method for determining point of time, in which moving object obtains predetermined distance to object by return beam measurement object, involves modulating frequency of transmitter linearly in successive time intervals / Fischer L. March 31, 2011.
20. Патент RU2708765C1. Радиовзрыватель с линейной частотной модуляцией сигнала / Кузнецов Н.С., Андрюшин О.Ф., Иванцов А.А., Малышкин А.С., Шахкельдян П.Н. Опубл.: 11.12.2019. Бюл. № 35.
21. 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 Transaction of Microwave Theory and Technique. 1980. V. 28. № 12. P. 1437–1442. DOI: 10.1109/TMTT.1980.1130263.
22. 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.
23. Закарлюк Н.М., Носков В.Я., Смольский С.М. Автодинные датчики для железнодорожных переездов // Труды 20-й Междунар. Крымской конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2010). Севастополь. 2010. С. 1072–1076.
24. Ermak G.P., Popov I.V., Vasilev 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.
25. Jankiraman M. FMCW Radar Design. London: Artech House. 2018. ISBN-13: 978-1-63081-567-7.
26. Атаянц Б.А., Давыдочкин В.М., Езерский В.В., Паршин В.С., Смольский С.М. Прецизионные системы ближней частотной радиолокации промышленного применения. М.: Радиотехника. 2012.
27. Коган И.М. Ближняя радиолокация. Теоретические основы. М.: Сов. Радио. 1973.
28. Damgov V.N. Nonlinear and Parametric Phenomena. Theory and Applications in Radiophysical and Mechanical Systems. Copyright 2004 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.
29. Кальянов Э.В. Автопараметрическая система с запаздыванием // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. № 8. С. 1–5. DOI: 10.1134/S1063784207080014.
30. Landa P.S. Nonlinear Oscillations and Waves in Dynamical Systems. Springer-Science+ Business Media, B.V. 1996.
31. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд–во Саратовского ун-та, 2003.
32. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Ermak G.P., Vasiliev A.S. Mathematical model of FM autodyne radar // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves (MSMW'16), (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). 2016. A-25. P. 1–4. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538000.
33. Носков В.Я., Васильев А.С., Ермак Г.П., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Флуктуационные характеристики автодинных радиолокаторов с частотной модуляцией // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2017. Т. 60. № 3. С. 154–165. DOI: 10.20535/S0021347017030049.
34. Jefford P.А., Howes M.S. Modulation schemes in low-cost microwave field sensor // IEEE Transaction of Microwave Theory and Technique. 1985. V. 31. № 8. P. 613–624. DOI: 10.1109/TMTT.1983.1131559.
35. Komarov I.V., Smolskiy S.M. Fundamentals of short-range FM radar. Norwood: Artech House. 2003. DOI: 10.1109/MAES.2004.1346903.
36. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Анализ автодинного эффекта генераторов с линейной частотной модуляцией // Известия вузов. Физика. 2008. Т. 51. № 6. С. 610–618. DOI: 10.1007/s11182-008-9083-5.
37. Noskov V.Y., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Vasiliev A.V., Ermak G.P., Smolskiy S.M. Peculiarities of signal formation of the autodyne short-range radar with linear frequency modulation // Visn. NTUU KPI, Ser. Radioteh. radioaparatobuduv. 2016. № 67. P. 50–57. DOI: 10.20535/RADAP.2016.67.50-57.
38. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Vasiliev A.S., Ermak G.P., Smolskiy S.M. Signals of autodyne radars with frequency modulation according to symmetric saw-tooth law // Telecommunication and Radio Engineering. 2016. V. 75. № 17. P. 1551–1566. DOI: 10.1615/TelecomRadEng.v75.i17.40.
39. Kryzhanovskyi V.S., Ermak G.P., Vasiliev A.S., Varavin A. V., Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Smolskiy S.M. Signals from a moving object of autodyne radars with linear frequency modulation // IEEE Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium (MRRS). (August 29-31). Kyiv, Ukraine. 2017. P. 93–98. DOI: 10.1109/MRRS.2017.8075036.
40. Ermak G.P., Vasiliev A.S., Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Moving object signal peculiarities of an autodyne radar with symmetric saw-tooth FM law // International Conference on Information and Telecommunication Technologies and Radio Electronics (UkrMiCo) (September 11-15, 2017), Odesa, Ukraine. 2017. P. 1–4. DOI: 10.1109/UkrMiCo.2017.8095378.
41. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Анализ сигналов от движущегося объекта автодинных локаторов с линейными видами модуляции частоты // Ural Radio Engineering Journal. 2017. Т. 1. № 1. С. 25–54. DOI 10.15826/urej.2017.1.1.002.
42. 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.
43. Носков В.Я., Игнатков К.А. О применимости квазистатического метода анализа автодинных систем // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2014. Т. 57. № 3. С. 44–56.
44. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука. 1968.
45. Касаткин Л.В., Чайка В.Е. Полупроводниковые устройства диапазона миллиметровых волн. Севастополь: Вебер. 2006.
46. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Ermak G.P., Vasiliev A.S. Main expressions for analysis of signals and noise of autodyne FM radar // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'16), (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). 2016. A-9. P. 1–4. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538019.
47. Носков В.Я., Ермак Г.П., Васильев А.С., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Зависимость сигнальных и шумовых характеристик автодинов с частотной модуляцией от расстояния до объекта локации // Известия вузов. Радиоэлектроника. 2021. Т. 64. № 4. С. 247–260. https://doi.org/10.20535/S0021347021040051.
48. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М.: Связь. 1971.
49. Носков В.Я., Игнатков К.А. Особенности шумовых характеристик автодинов при сильной внешней обратной связи //
    Известия вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 12. С. 112–124.
50. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Ermak G.P., Vasiliev A.S. Peculiarities of signal and noise characteristics of FMCW autodyne radar // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW'16), (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). 2016. A-10. P. 1–4. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7537984.
51. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D., Ermak G.P., Vasiliev A.S. Features of noise characteristics of frequency-modulated autodyne radars // IEEE Ukrainian Microwave Week. Volume 2 on 2020 IEEE 6th Microwaves, Radar and Remote Sensing Symposium (MRRS-2020), (2020 IEEE Ukrainian Microwave Week Kharkiv, Ukraine, September 21–25). 2020. P. 245–248. DOI: 10.1109/UkrMW49653.2020.9252576.
52. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Особенности формирования и обработки сигналов в автодинных радиолокаторах с частотной модуляцией с учетом нелинейности модуляционной характеристики // Ural Radio Engineering Journal. 2021. Т. 5. № 2. С. 119–143. DOI: 10.15826/urej.2021.5.2.003.