В.Я. Носков1, Е.В. Богатырев2, Р.Г. Галеев3, К.А. Игнатков4, О.А. Черных5

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) 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
ангармонические искажения в формировании сигнальных и шумовых характеристик. Данное явление, свойственное всем
типам генераторов, создает проблемы при обработке сигналов, сужает динамический диапазон автодинной системы и ограничивает область применения АД, особенно в диапазонах миллиметровых и более коротких волн. Один из путей решения указанной проблемы – поиск новых типов генераторов, режимов их работы и схемных решений.

Цель. Обобщить результаты разработки математический модели АД, функционирующего в условиях синхронного воздействия сигнала от стороннего источника и провести анализ результатов выполненных исследований особенностей формирования сигналов в зависимости от уровня отраженного от цели излучения и условий синхронного воздействия радиосигнала от стороннего источника, а также представить и исследовать математическую модель системы двух взаимно синхронизированных парциальных генераторов при сильной связи, находящейся под воздействием собственного отраженного излучения.

Результаты. Приведены результаты исследований особенностей формирования автодинного отклика в генераторах, находящихся под воздействием одновременно собственного отраженного излучения и внешнего синхронизирующего воздействия. Получены основные соотношения для анализа автодинного отклика как при условии квазистатически медленного перемещения объекта локации, так и при быстром его перемещении, когда период сигнала соизмерим с постоянной времени автодинного отклика. Выполнены расчеты параметров и характеристик синхронизированного автодина. Показаны преимущества
таких автодинов по сравнению с обычными автодинами без синхронизации. Отмечено, что данные экспериментальных исследований подтвердили правильность теоретических результатов, полученных на примере генератора, выполненного на основе диода Ганна 8-миллиметрового диапазона. Представлена математическая модель системы двух взаимно синхронизированных парциальных генераторов, находящейся под воздействием собственного отраженного излучения. Рассмотрены особенности поведения автодинных изменений амплитуд колебаний парциальных генераторов, частоты и разности фаз, а также отклика в цепи питания активных элементов при различных параметрах генераторов и условий их сильной взаимной связи. Экспериментальные данные получены для генератора фланцевого типа, выполненного на двух диодах Ганна 8-миллиметрового диапазона.

Практическая значимость. Полученные данные важны для расширения области практического применения АД и определения их функциональных возможностей. Приведены результаты исследований автодинной девиации частоты синхронизированного автодина как при низких, так и высоких скоростях движения объектов локации в зависимости от уровня отраженного излучения, внутренних параметров используемого генератора и условий его синхронизации. Данные изменения амплитуды, частоты и фазы колебаний в зависимости от уровня отраженного излучения, внутренних параметров и условий взаимной связи между парциальными генераторами позволяют расширить области практического применения взаимно синхронизированных автодинов и определить их функциональные возможности в СБРЛ.

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 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.
15. 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. 15. Сигнальные и шумовые характеристики автодинов с частотной модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. T. 76. № 9. С. 5–36. DOI: https://doi.org/10.18127/j20700784-202209-02.
16. Usanov D.A., Skripal A.V., Postelga A.E. A microwave autodyne meter of vibration parameters // Instruments & Experimental Techniques. 2004. V. 47. № 5. P. 689–693.
17. Alidoost S.A., Sadeghzade R., Fatemi R. Autodyne system with a single antenna // In Proceedings of the 11-th International Radar Symposium (IRS 2010). Vilnius (Lithuania). P. 406–409.
18. 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.
19. 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.
20. 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.
21. 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. Т. 27. № 1. С. 104–112.
22. Ермак Г.П., Лебедев А.Б., Лукин К.А. и др. Теоретическое и экспериментальное исследование ГДИ-автодина // Харьков: Институт радиофизики и электроники AН УССР. 1984. Препринт № 262.
23. Носков В.Я. Анализ автодинного эффекта в СВЧ генераторах с цепью автосмещения первого порядка // Электронная техника. Сер. 1. СВЧ-техника. 1992. № 6 (450). С. 24–30.
24. Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 2003.
25. Носков В.Я., Богатырев Е.В., Галеев Р.Г., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Принцип действия автодинного оптоэлектронного приемопередатчика для систем ближней радиолокации // Ural Radio Engineering Journal. 2022. Т. 6. № 3. С. 269–295.
26. Komarov I.V., Smolskiy S.M. Fundamentals of short-range FM radar. Norwood: Artech House, 2003. DOI: 10.1109/MAES.2004.1346903.
27. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Анализ автодинного эффекта генераторов с линейной частотной модуляцией // Изв. вузов. Физика. 2008. Т. 51. № 6. С. 54–60.
28. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Анализ автодинного эффекта радиоимпульсного генератора // Изв. вузов. Физика. 2008. Т. 51. № 3. С. 64–70.
29. Воторопин С.Д., Носков В.Я., Смольский С.М. Анализ автодинного эффекта радиоимпульсного генератора с частотной модуляцией // Изв. вузов. Физика. 2008. Т. 51. № 7. С. 80–89.
30. Носков В.Я., Смольский С.М. Автодинный эффект в генераторах с амплитудной модуляцией // Радиотехника. 2011. № 2. С. 21–36.
31. 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.
32. Воторопин С.Д., Носков В.Я. Сигналы автодинов КВЧ-диапазона длин волн при контроле параметров подвижных объектов // Изв. вузов. Физика. 2000. Т. 43. № 7. С. 54–60.
33. Носков В.Я., Смольский С.М. Связь нелинейных искажений сигналов и процесса установления автодинного отклика СВЧ генераторов // Радиотехника. 2010. № 1. С. 55–66.
34. Носков В.Я., Игнатков К.А. Особенности шумовых характеристик автодинов при сильной внешней обратной связи // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 12. С. 112–124.
35. Носков В.Я., Игнатков К.А. Динамические особенности автодинных сигналов // Изв. вузов. Физика. 2013. Т. 56. № 4. С. 56–64.
36. Носков В.Я., Смольский С.М., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Сигналы автодинных модулей с внешним детектированием // Ural Radio Engineering Journal. 2018. Т. 2. № 4. С. 20–40.
37. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D., Ermak G.P., Vasiliev A.S. The dynamics of autodyne signal and noise characteristic formation at high target speeds // Telecommunication and Radio Engineering. 2020. V. 79. № 6. P. 493–508.
38. 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 // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2021. Т. 64. № 4. С. 247–260.
39. Моросанов С.А., Смольский С.М., Филицина Ю.А. Двухтактные транзисторные генераторы и автодины // Радиотехника и электроника. 1982. Т. 27. № 4. С. 764–769.
40. Гершензон Е.М., Левит Б.И., Носков В.Я., Туманов Б.Н. Автодинный эффект в двухчастотных генераторах // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1983. № 10. С. 11–16.
41. Носков В.Я. Автодинный эффект в многочастотных автогенераторах // Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35, № 9. С. 778–789.
42. Носков В.Я. Двухдиодный автодинный приемопередатчик // Приборы и техника эксперимента. 2015. № 4. С. 65–70.
43. Носков В.Я., Игнатков К.А., Чупахин А.П. Автодинный эффект системы двух взаимно синхронизированных генераторов при сильной связи // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. № 2. С. 200–208.
44. Носков В.Я., Игнатков К.А. Шумовые характеристики автодинов со стабилизацией частоты внешним высокодобротным резонатором // Радиотехника и электроника. 2016. Т. 61. № 9. С. 905–918.
45. Терещенко А.Ф. Воздействие отраженного сигнала на синхронизированный клистронный генератор // Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1966. № 2. С. 67–78.
46. Артеменков С.Л., Смольский С.М. Автодинные свойства синхронизированных транзисторных автогенераторов // Методы и устройства формирования и обработки радиосигналов. М.: Труды МЭИ. 1982. Вып. 579. C. 81–86.
47. Артеменков С.Л., Смольский С.М. Стабилизация частоты транзисторных автодинов дополнительным синхросигналом // Современные проблемы стабилизации частоты. М.: Труды МЭИ. 1983. Вып. 8. C. 30–35.
48. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Автодинный эффект СВЧ генераторов с внешней синхронизацией // Радиотехника и электроника. 2020. Т. 65. № 6. С. 612–620.
49. Моросанов С.А., Смольский С.М. Кольцевые транзисторные автодины // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 1984. Т. 27. № 11. С. 95–98.
50. Попов А.В., Смольский С.М., Шатов В.Л. Взаимная синхронизация двух транзисторных автодинов // Радиотехника и электроника. 1990. № 2. С. 382–388.
51. Воторопин С.Д., Носков В.Я. Обобщенная модель и основные уравнения автодинной ГИС КВЧ на основе мезапланарных ганновских структур // Изв. вузов. Физика. 2001. Т. 44. № 12. С. 23–30.
52. Ланда П.С. Нелинейные колебания и волны. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ». 2010.
53. Майдановский А.С., Новиков С.С. Симметричные и несимметричные системы сильно связанных автогенераторов // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48. № 5. С. 595–600.
54. Новиков С.С., Устюкевич А.А. Разрушение когерентного режима в системе двух автогенераторов при сильных резонансных взаимных связях // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2012. Т. 20. № 5. С. 14–25.
55. Новиков С.С., Устюкевич А.А. Неустойчивость синхронных режимов в системе двух связанных СВЧ-автогенераторов // Изв. вузов. Физика. 2012. Т. 55. № 11. С. 51–56.
56. Braun R.M. Self Mixing Oscillators at Q-band Using Gunn Diode Solid State Sources. University of Cape Town. 1982.
57. Pantoja F.R.; Calazans E.T. Theoretical and Experimental Studies of Gain Compression of Millimeter-Wave Self-Oscillating Mixers // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1985. V. 33. № 3. P. 181–186.
58. Sironen M., Qian Y., Itoh T. A subharmonic self-oscillating mixer with integrated antenna for 60-GHz wireless application // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 2001. V. 49. P. 442–450.
59. Воторопин С.Д, Закарлюк Н.М., Носков В.Я., Смольский С.М. О принципиальной невозможности самосинхронизации автодина излучением, отраженным от движущегося объекта // Изв. вузов. Физика. 2007. Т. 50. № 9. С. 53–59.
60. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. Frequency Deviation of Injection-Locked Microwave Autodynes // Radioengineering. 2019. V. 28. № 4. P. 721–728.
61. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. Autodyne Signal Features of Frequency-Locked Microwave Oscillators // 29th International Crimean Conference: Microwave & Telecommunication Technology (CriMiCo'2019): ITM Web of Conferences. V. 30. № 12012.
62. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Shaidurov K.D. Dynamic Characteristics of Frequency-Locked Autodynes // 29th International Crimean Conference: Microwave & Telecommunication Technology (CriMiCo'2019): ITM Web of Conferences. V. 30. № 12009.
63. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Особенности автодинных сигналов синхронизированных СВЧ генераторов // Сб: «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». 2020. Вып. 1-1. С. 436–437. Севастополь, 2020. ISSN 2619–1628.
64. Носков В.Я., Игнатков К.А., Шайдуров К.Д. Динамические характеристики синхронизированных автодинов // Сб: «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». 2020. Вып. 1–1. С. 428–429. Севастополь, 2020. ISSN 2619–1628.
65. Махаринский С.В., Минакова И.И. Метод эквивалентной добротности для исследований многоконтурных автоколебательных систем // Известия вузов. Радиофизика. 1973. Т. 16. № 6. C. 903–908.
66. Голант М.Б., Бобровский Ю.Л. Генераторы СВЧ малой мощности: Вопросы оптимизации параметров / Под ред. Н.А. Девяткова. М.: Сов. радио. 1977.
67. Носков В.Я., Игнатков К.А., Смольский С.М. Зависимость автодинных характеристик от внутренних параметров СВЧ генераторов // Радиотехника. 2012. № 6. С. 24–42.
68. Kurokava K. Injection Locking of Microwave Solid-State Oscillators // Proceedings of the IEEE. 1973. V. 61. № 10. P. 1386–1410.
69. Фомин Н.Н., Андреев В.С., Воробейчиков Э.С. и др. Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных генераторах / Под ред. Н.Н. Фомина. М.: Радио и связь. 1991.
70. Носков В.Я., Игнатков К.А. О применимости квазистатического метода анализа автодинных систем // Изв. вузов. Радиоэлектроника. 2014. Т. 57. № 3. С. 44–56.
71. Комаров И.В., Смольский С.М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модулированных колебаний. М.: Горячая линия. Телеком. 2010.
72. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Smolskiy S.M. Determination of Autodyne Oscillator Parameters by the Beating Metod // Telecommunication Sciences. 2012. V. 3. № 1. P. 35–45.
73. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Smolskiy S.M. Modulation Characteristics of Microwave Autodyne Oscillators // Telecommunication Sciences. 2012. V. 3. № 2. P. 44–52.
74. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Ermak G.P. Particularities of Double-Diode Autodyne Characteristics // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves (MSMW'16). (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). A-23. P. 1–3.
75. Noskov V.Ya., Ermak G.P., Varavin A.S. Double-Diode Autodyne of 8mm-Range on Gunn Diodes // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves (MSMW'16), (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). A-24. P. 1–3.
76. Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Ermak G.P., Vasiliev A.S. Mathematical Model of a Double-Diode Autodyne // 9-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves (MSMW'16), (Kharkov, Ukraine, June 20-24, 2016). E-28. P. 1–3.
77. Ermak G.P., Vasiliev A.S., Noskov V.Ya., Ignatkov K.A., Chupahin A.P., Smolskiy S.M. Signal Analysis of a Double-Diode Autodyne // 11th International Conference on Antenna Theory and Techniques (ICATT). 24-27 May, 2017. Kyiv, Ukraine. P. 338–342.
78. Носков В.Я., Смольский С.М. Основные свойства двухдиодных автодинов и их применение // 20-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2010). Севастополь. 2010. С. 1051–1054.