2.2 Зависимость коэффициентов нелинейного преобразования
от параметров зондирующего сигнала локатора.
Для определения зависимости ξN = f(ω, Ризл.) использована модель нелинейного объекта в виде вибраторной антенны, подключённой на вход смесителя на полупроводниковом диоде. Тогда эквивалентная принципиальная электрическая схема входного блока будет иметь вид, изображённый на рис. 2.1 [5].
Рисунок 2.1
На рисунке 2.1 представлена эквивалентная схема модели нелинейного объекта с вибраторной антенной и полупроводниковым диодом.
Электрическая схема замещения антенны моделировалась Ra-La-Ca - цепью, сопротивление которой изменяется от входной частоты аналогично входному сопротивлению штыревой антенны. В качестве нелинейного элемента был взят СВЧ-диод 2А605Б с известными конструктивными сосредоточенными параметрами Lk, Сk. Электрическая схема замещения диода представлена классическим видом нелинейных ёмкости Cd (Ud) и проводимости gd (Ud) р-n - перехода.
Вместо диода можно использовать любой транзистор, что будет являться моделью выходного каскада радиомикрофонного передатчика. Электрические схемы замещения транзисторов приведены, например, в [7] и отличаются лишь большим количеством линейных реактивностей Lk и Сk. Электрическая схема замещения вибраторной антенны применима практически к любым типам антенн.
Процедура расчёта сводилась к определению наведённой на диоде (транзисторе) через антенну мощности (ЭДС) в узле 2 входа смесителя. С помощью преобразований Вольтерра определялся выходной отклик нелинейной системы на заданное по амплитуде воздействие с последующим расчётом коэффициентов преобразования ξN [8].
Данная методика позволяет рассчитывать напряжения высших гармоник не только на выходе схемы в узле 4, но и на входе антенны, в узле 2. Это даёт возможность применить непосредственно выражение (2.1) для расчёта дальности обнаружения объектов с любым видом их ВАХ для любой высшей гармоники. На рис. 2.2 показана зависимость коэффициента нелинейного преобразования для второй гармоники от входной мощности ξ2 = (Ризл.) в узле 2 [5].
Рисунок 2.2
На рисунке 2.2 представлена зависимость коэффициента не линейного преобразования для второй гармоники от мощности на входе не линейного элемента.
Из полученной зависимости следует, что ξN существенно зависит от величины мощности, особенно на начальном участке ВАХ, когда за счёт увеличения наведенной ЭДС происходит резкое изменение крутизны характеристики. При этом абсолютное значение очень мало и меняется от 10 -4до 2∙10-3
Рисунок 2.3
На рисунке 2.3 предсталена зависимость коэффициента нелинейного преобразования для второй и третьей гармоник от частоты для диода 2А605Б
При дальнейшем изменении мощьности эта зависимость существенно уменьшается и в интервале мощностей 1-6 Вт не превышает 20%. В таком случае это значение можно принять постоянным, равным 5∙10-3 что на порядок выше, чем на начальном участке ВАХ. Для третьей гармоники значение ξ3 оказалось ещё меньше. В диапазоне мощностей 1-6 Вт оно составляло 5∙10-4, что на два порядка меньше значения ξ2.
Экспериментально снятое значение ξ2 = f(Ризл.) для системы вибратор - диод 2А605Б на частоте 755 МГц оказалось равным 6,5∙10-2.
Частотная зависимость ξN для второй и третьей гармоник показана на рис. 2.3.
Поскольку диод является сверхвысокочастотным, то интервал значений частот лежит в диапазоне 1-6 ГГц [9]. Из полученных зависимостей следует, что даже для СВЧ-умножительного диода существует резкое отличие в характере поведения коэффициентов преобразования второй и третьей гармоник. С учётом затухания в среде распространения (коэффициент К3 в (1)) эта зависимость для третьей гармоники будет ещё более усугублена. Практически такой же характер имеют зависимости коэффициентов и для более низкочастотных приборов, если заменить диапазон частот с сантиметрового на дециметровый. Для естественных MOM-диодов (ржавчина, металлические сетки и пр.) с произвольным размером и свойствами р-n-перехода эти зависимости будут ещё более разниться в силу более низкочастотных свойств подобных р-n структур.
На основании проведённых теоретических и экспериментальных исследований[6] можно сделать следующие выводы[6]:
1. Требования к мощности зондирующего сигнала локатора возрастает с увеличением его обнаружительной способности. Поскольку р-n-переход является слабоинерционной системой для импульсного воздействия и реагирует не на среднюю, а на пиковую мощность, целесообразно применять импульсный режим излучения, так как увеличение мощности приводит к росту коэффициента нелинейного преобразования. При этом, с одной стороны, значительный уровень пиковой мощности позволяет повысить эффективность обнаружения электронных устройств (особенно находящихся в пассивном режиме), а с другой стороны, за счёт большой скважности средняя мощность излучения может быть существенно снижена до величины, удовлетворяющей действующим санитарным нормам и правилам по эксплуатации СВЧ излучающих устройств.
2. Из-за существенной частотной зависимости коэффициентов преобразования высших порядков ξN рабочая частота локатора снижается. При этом дополнительная эффективность достигается за счёт уменьшения затухания сигнала в среде распространения как на излучаемой частоте, так и на высших гармониках.
3. Регистрация двух гармоник не является обязательным признаком идентификации нелинейного объекта.
При внимательном анализе характеристик локаторов, как, например, в [1], выясняется, что двухчастотный режим регистрации гармоник присущ только моделям с излучением непрерывного сигнала. Подобное явление объясняется тем, что рабочая точка находится на начальном участке ВАХ, то есть в точке перегиба. Если р-n-переход не находится под напряжением смещения, то такое состояние является для него естественным.
Тогда в силу малого уровня мощности, а следовательно, и малого значения наведённой на MOM-диоде или p-n-переходе ЭДС, прикладываемой к начальному участку ВАХ, зачастую происходит следующее. Поскольку характеристики естественных MOM-диодов не нормированы, то для малых уровней ЭДС мы действительно наблюдаем сигнал отклика только на третьей гармонике. Однако нет никаких сведений о вероятностном соотношении обнаруженных и пропущенных подобных объектах, то есть если радиоэлектронное устройство находится в ждущем режиме, когда потребляемый ток составляет несколько мкА, искусственные p-n-переходы в точности подобны МОМ-диодам. В таком случае их реакция на воздействие незначительного непрерывного излучения будет аналогична MOM-диоду, что повлечет за собой два возможных варианта.
1. Сигнал отклика отсутствует - нет объекта. Возможен случай, когда уровни второй и третьей гармоник сравнимы, но в силу малости значений не фиксируются локатором. В равной степени это допущение применимо также к МОМ-диодам, из-за чего и отсутствуют соотношения вероятности их обнаружения или пропуска.
2. Сигнал отклика имеется только на третьей гармонике - объект ложный.
Итак, мы пропустили «закладку»! Или «закладка» специально установлена с тыльной стороны арматуры, которая её как бы «затеняет». Тем не менее результат тот же - пропуск!
Иногда третью гармонику используют, основываясь на предположении, что от MOM-диода отклик на ней априори больше, чем на второй [10]. Поэтому признаку производят сравнение амплитуд и судят о типе объекта. Однако данная предпосылка не имеет под собой никаких оснований, поскольку целый ряд полупроводниковых приборов - полевые транзисторы, интегральные микросхемы, особенно выполненные по КМОП-технологии, - обладают подобным свойством. Это означает, что в методе амплитудной селекции изначально заложена ложная идентификация!
Для надёжной идентификации необходимо применять описанную в [3] методику нелинейно-параметрического воздействия в виде вибрации. Это приведёт к дополнительному искусственному изменению параметров естественного р-п-перехода, которые наложатся на сигнал отклика в виде модуляции с частотой вибрации. На искусственные р-п-переходы (полупроводниковые приборы) вибрация не окажет воздействия. При импульсном режиме излучения, когда воздействие мощного зондирующего сигнала приводит к резкому изменению рабочей точки ВАХ, вызванному весьма значительной величиной наведённой ЭДС, регистрация только одной второй гармоники с применением вибрации однозначно идентифицирует р-п-переходы искусственного и естественного происхождения.
Даже если пользователь уже обладает локатором с регистрацией двух гармоник, операцию с вибровоздействием все равно следует применять. Использование локатора с третьей гармоникой при импульсном режиме работы имеет другой интересный аспект. Поскольку регистрация третьей гармоники в этом режиме не обязательна, но все же введена в конструкцию локатора, это резко увеличивает его стоимость! Ведь с точки зрения реализации приёма двух гармоник для разработчика нет никаких технических проблем, а потребителю приходится отдавать дань своему непониманию описанных процессов, выраженную весьма значительной суммой!
Наглядным примером этому служит локатор НР-900М. Стоимость его одночастотного варианта составляла 6000 долларов. Введение приёмника третьей гармоники «улучшило» ценовую характеристику до 8500 [10], при том, что два его основных параметра — мощность и частота излучения — остались неизменными: < 150 Вт и 900 МГц.