Сигнальные и шумовые характеристики автодинных радиолокаторов миллиметрового диапазона с одновременной импульсной и линейной модуляцией частоты по симметричному пилообразному закону

Е.В. Богатырев; Д.С. Вишняков; К.А. Игнатков; О.А. Кувшинов; В.Я. Носков

doi:10.18127/j20700784-202603-11

Сигнальные и шумовые характеристики автодинных радиолокаторов миллиметрового диапазона с одновременной импульсной и линейной модуляцией частоты по симметричному пилообразному закону

Е.В. Богатырев¹, Д.С. Вишняков², К.А. Игнатков³, О.А. Кувшинов⁴, В.Я. Носков⁵

научная статья УДК 621.373.12; 621.396.962.3 Страницы: 94-109 doi.org/10.18127/j20700784-202603-11

¹ АО «НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск, Россия); Сибирский федеральный университет (г. Красноярск, Россия)
^2,3,4,5 Уральский федеральный университет (г. Екатеринбург, Россия)

Ключевые слова: Автодин автодинный генератор автодинный сигнал шумовая характеристика автодина радиоимпульсный генератор частотная модуляция параметр обратной связи метод шагов ангармонические искажения сигналов система ближней радиолокации

Аннотация

Постановка проблемы. В автодинных системах ближней радиолокации (АСБРЛ) широко используются амплитудная, импульсная, частотная (ЧМ) и фазовая (ФМ) модуляции излучения. При этом особый интерес представляет применение комбинации различных видов модуляции одновременно, например, импульсной и частотной. Такое совмещение обеспечивает повышение устойчивости АСБРЛ к воздействию помех, возможность формировать ближнюю и дальнюю границы зоны обнаружения по расстоянию, регистрировать появление движущихся объектов в контролируемой зоне, а также измерять их скорость движения и оценивать текущую дальность до цели. Кроме того, прерывистость работы генератора повышает скрытность работы АСБРЛ и значительно снижает ее энергопотребление. Однако для применения таких АСБРЛ необходимы знания об особенностях формирования сигнальных и шумовых характеристиках автодинных генераторов (АГ) с одновременной импульсной и частотной модуляцией в диапазоне миллиметровых (ММ) длин волн, которые на сегодняшний день изучены недостаточно.

Цель. На основе разработанной математической модели выполнить исследование особенностей пошагового формирования сигнальных и шумовых характеристик радиоимпульсных АГ с частотной модуляцией по симметричному пилообразному закону.

Результаты. Представлена математическая модель АСБРЛ с одновременной импульсной амплитудной и симметричной пилообразной модуляцией частоты колебаний СВЧ-генератора, находящегося под воздействием собственного отраженного излучения. На основе данной модели проведен анализ сигнальных и шумовых характеристик, рассчитанных методом шагов. Рассмотрены особенности формирования сигнальных и шумовых характеристик в ответ на каждое парциальное воздействие отраженного излучения от точечного объекта локации. Установлены отличительные особенности формирования сигнальных характеристик и величины среднеквадратического уровня шумов на выходе автодинного СВЧ-генератора, получаемые при приеме первого и последующих отражений от объекта локации для различных значений параметра обратной связи АСБРЛ. Проведено экспериментальное исследование АСБРЛ с использованием генераторного модуля, выполненного на планарном диоде Ганна 8-миллиметрового диапазона с перестройкой частоты при помощи варикапа.

Практическая значимость. Представленные результаты, значительно расширяющие известные представления о формировании сигнальных и шумовых характеристиках радиоимпульсных автодинов, необходимо учитывать при разработке алгоритмов обработки сигналов и использовании радиоимпульсных автодинов с ЧМ в АСБРЛ ММ-диапазона. Они также могут быть полезны для улучшения тактико-технических параметров АСБРЛ и определения их функциональных возможностей, что даст возможность расширить область их практического применения.

Поступила: 03.12.2025
Одобрена: 15.12.2025
Принята: 14.01.2026

Для цитирования

Богатырев Е.В., Вишняков Д.С., Игнатков К.А., Кувшинов О.А., Носков В.Я. Сигнальные и шумовые характеристики автодинных радиолокаторов миллиметрового диапазона с одновременной импульсной и линейной модуляцией частоты по симметричному пилообразному закону // Успехи современной радиоэлектроники. 2026. T. 80. № 3. С. 94–109. DOI: https://doi.org/10.18127/ j20700784-202603-11

Список источников

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
Efanov A., Lübke K., Diskus Ch., Springer A., Stelzer A., Thim H.W. Development of a 35 GHz radar sensor // Proceedings of the seminar «Basics and Technology of Electronic Devices». Pongau. Austria. 1997. P. 11-16.
Usanov D.A., Skripal A.V., Postelga A.E. A microwave autodyne meter of vibration parameters // Instruments and Experimental Techniques. 2004. V. 47. № 5. P. 689–693.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 расчёта параметров автодинов с учётом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18–52.
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.
Комаров И.В., Смольский С.М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модули-рованных колебаний. М.: Горячая линия. Телеком. 2010. 392 с.
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. Т. 76. № 9. С. 15–54.
Giuliani G, Norgia M, Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications (Review article) // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2002. V. 4. № 6. P. 283-294.
Sobolev V.S., Kashcheeva G.A. Self-mixing frequency-modulated laser interferometry // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2008. V. 44. № 6. P. 519-529. DOI: 10.3103/S8756699008060058.
Usanov D.A., Skripal A.V., Astakhov E.I. Determination of nanovibration amplitudes using frequency-modulated semiconductor laser autodyne // Quantum Electronics. 2014. V. 44. № 2. P. 184-188. DOI: 10.1070/QE2014v044n02ABEH015176.
Богатырев Е.В., Вишняков Д.С., Игнатков К.А., Кувшинов О.А., Носков В.Я. Сигнальные и шумовые характеристики радиоимпульсных автодинов с линейной частотной модуляцией миллиметрового диапазона // Ural Radio Engineering Journal. 2025. Т. 9. № 3. С. 362–388.
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.
Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 2003. 312 с.
Дамгов В.Н., Ланда П.С., Перминов С.М., Шаталова Г.Г. Стохастические автоколебания в генераторе с дополнительной запаздывающей обратной связью // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31. № 4. С. 730–733.
Kulik V.V., Lukin K.A., Rakitynsky V.A. Autodyne effect in weak-resonant BWO with chaotic dynamics // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1998. V. 19. № 3. P. 427–440.
Носков В.Я., Игнатков К.А. О причинах хаотизации автодинных сигналов в СВЧ генераторах // Материалы 9-й Междунар. научн.-технич. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов». Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та. 2012. С. 130–132.
Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Dynamics of autodyne response formation in microwave generators // Radioelectronics and Communications Systems. 2013. V. 56. № 5. P. 227–242. DOI: 10.3103/S0735272713050026.
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.
Кувшинов О.А., Игнатков К.А., Носков В.Я. Применение системы ФАПЧ синтезатора частоты для регистрации автодинного отклика СВЧ-генераторов // Сб. статей десятой Всеросс. науч. школы-семинара «Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцевого и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами» / Под ред. проф. А.В. Скрипаля. Саратов: Изд-во «Саратовский источник». 2025. С. 313–320.

[1] 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

[2] Efanov A., Lübke K., Diskus Ch., Springer A., Stelzer A., Thim H.W. Development of a 35 GHz radar sensor // Proceedings of the seminar «Basics and Technology of Electronic Devices». Pongau. Austria. 1997. P. 11-16.

[3] Usanov D.A., Skripal A.V., Postelga A.E. A microwave autodyne meter of vibration parameters // Instruments and Experimental Techniques. 2004. V. 47. № 5. P. 689–693.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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.

[7] 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.

[8] 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.

[9] 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.

[10] 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.

[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. 10. Основы анализа и расчёта параметров автодинов с учётом шумов // Успехи современной радиоэлектроники. 2018. № 3. С. 18–52.

[12] 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.

[13] Комаров И.В., Смольский С.М. Основы теории радиолокационных систем с непрерывным излучением частотно-модули-рованных колебаний. М.: Горячая линия. Телеком. 2010. 392 с.

[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. 15. Сигнальные и шумовые характеристики автодинов с частотной модуляцией // Успехи современной радиоэлектроники. 2022. Т. 76. № 9. С. 15–54.

[15] Giuliani G, Norgia M, Donati S., Bosch T. Laser diode self-mixing technique for sensing applications (Review article) // Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 2002. V. 4. № 6. P. 283-294.

[16] Sobolev V.S., Kashcheeva G.A. Self-mixing frequency-modulated laser interferometry // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2008. V. 44. № 6. P. 519-529. DOI: 10.3103/S8756699008060058.

[17] Usanov D.A., Skripal A.V., Astakhov E.I. Determination of nanovibration amplitudes using frequency-modulated semiconductor laser autodyne // Quantum Electronics. 2014. V. 44. № 2. P. 184-188. DOI: 10.1070/QE2014v044n02ABEH015176.

[18] Богатырев Е.В., Вишняков Д.С., Игнатков К.А., Кувшинов О.А., Носков В.Я. Сигнальные и шумовые характеристики радиоимпульсных автодинов с линейной частотной модуляцией миллиметрового диапазона // Ural Radio Engineering Journal. 2025. Т. 9. № 3. С. 362–388.

[19] 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.

[20] Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В. Физика полупроводниковых радиочастотных и оптических автодинов. Саратов: Изд-во Саратовского ун-та. 2003. 312 с.

[21] Дамгов В.Н., Ланда П.С., Перминов С.М., Шаталова Г.Г. Стохастические автоколебания в генераторе с дополнительной запаздывающей обратной связью // Радиотехника и электроника. 1986. Т. 31. № 4. С. 730–733.

[22] Kulik V.V., Lukin K.A., Rakitynsky V.A. Autodyne effect in weak-resonant BWO with chaotic dynamics // International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1998. V. 19. № 3. P. 427–440.

[23] Носков В.Я., Игнатков К.А. О причинах хаотизации автодинных сигналов в СВЧ генераторах // Материалы 9-й Междунар. научн.-технич. конф. «Физика и технические приложения волновых процессов». Екатеринбург: Изд-во Уральского ун-та. 2012. С. 130–132.

[24] Noskov V.Ya., Ignatkov K.A. Dynamics of autodyne response formation in microwave generators // Radioelectronics and Communications Systems. 2013. V. 56. № 5. P. 227–242. DOI: 10.3103/S0735272713050026.

[25] 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.

[26] Кувшинов О.А., Игнатков К.А., Носков В.Я. Применение системы ФАПЧ синтезатора частоты для регистрации автодинного отклика СВЧ-генераторов // Сб. статей десятой Всеросс. науч. школы-семинара «Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцевого и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами» / Под ред. проф. А.В. Скрипаля. Саратов: Изд-во «Саратовский источник». 2025. С. 313–320.

Аннотация

Для цитирования

Похожие статьи