Мировой рекорд


Лампа бегущей волны «Чихирь», разработанная компанией «ЭлТек-96», использовалась в оконечном каскаде передающего тракта при установлении мирового рекорда дальности любительской ЕМЕ связи в диапазоне 47 ГГц.


Статья в журнале «РАДИО» (№10, 2004) про это событие:

EME в диапазоне 47 ГГц

Сергей Жутяев (RW3BP), Владимир Прокофьев (RA3АСЕ), г. Москва

Новое мировое достижение наших ультракоротковолновиков!



Прошло два года с тех пор, как Сергей Жутяев (RW3BP) установил мировой рекорд дальности любительской связи в диапазоне 24 ГГц. Он стал первым ультракоротковолновиком вне США и Канады, вышедшим в "лунный" эфир в этом СВЧ диапазоне и проведшим как самую дальнюю, так и первую межконтинентальную связи. О его достижениях уже сообщал наш журнал ("Как устанавливают рекорды". - Радио, 2002, № 8, с. 61, 62).

Теперь у Сергея новые достижения - он совместно с нашим известным конструктором любительской аппаратуры Владимиром Прокофьевым (RA3ACE) построил аппаратуру диапазона миллиметровых волн - 47 ГГц и 24 июля 2004 г. в 15.40 UTC впервые в мире услышал и записал эхо собственных сигналов, отраженное от Луны! В течение последующих дней его сигналы были приняты в Северной Америке всеми участниками эксперимента. Первым был VE4MA, а затем W5LUA, AD6FP и VE7CLD. Ответить Сергею они пока не могли из-за неготовности передающей аппаратуры.

Первыми среди радиолюбителей эхо собственного сигнала, посланного к Луне, услышали W4AO и W3CKP в 1953 г. в диапазоне 144 МГц. С тех пор американцы не упускали лидерства и первыми получали эхо в каждом из любительских диапазонов, осваивая все более высокочастотные. И вот наконец удалось нарушить эту традицию, да еще в сложном диапазоне миллиметровых волн, требующем высокотехнологичной аппаратуры.

Отметим, что в наиболее ответственном узле - оконечном каскаде передающего тракта - применена лампа бегущей волны (ЛБВ) отечественного производства (ООО "ЭлТек-96" совместно с ФГУП "Экспериментальный завод научного приборостроения" РАН г. Черноголовка Московской обл.).



Диапазон 47 ГГц (длина волны 6 мм) относится к миллиметровым волнам, что и определяет его характерные особенности. Прежде всего, это наличие существенных потерь в атмосфере. Ведь совсем близко находится целый букет линий поглощения кислорода (50...60 ГГц). Содержание кислорода в атмосфере от погоды зависит мало, и данные потери существуют всегда. Несколько проще с потерями, вызванными наличием воды в атмосфере. Если содержание водяного пара в атмосфере велико (жаркая влажная погода), то потери в воде и в кислороде примерно равны. Однако в ясную морозную ночь потерями в воде можно пренебречь. Суммарные потери в атмосфере на трассе Земля - Луна - Земля (ЕМЕ) зависят от пути, пройденного радиоволнами в атмосфере, и, значит, от высоты, на которой находится Луна над горизонтом. Это ставит ограничение на максимальную дальность связи. Скажем, связь с Австралией на этом диапазоне практически невозможна. И даже при связи с Северной Америкой дополнительные потери исчисляются единицами децибел. И это только дополнительные потери, а основные же в диапазоне 47 ГГц превышают магический барьер - 300 дБ.

Следующая проблема связана с расширением спектра отраженного сигнала Если мы посылаем чистый узкополосный телеграфный сигнал, то в ответ получаем нечто шипящее и рычащее. Вызвано это многолучевым механизмом как отражения от Луны, так и распространения радиоволн в атмосфере. Если каждый из лучей имеет свой, немного отличающийся доплеровский сдвиг по частоте, то в сумме мы получаем сигнал, имеющий ширину спектра несколько сотен герц. В этих условиях применяемые методы обработки сигнала (DSP) становятся малоэффективными.

Далее встает проблема, связанная со стабилизацией частоты генераторов передатчика и гетеродинов приемника. Если для обыденных связей на KB и в длинноволновой части УКВ бывает допустима относительная нестабильность частоты порядка 10-6, то здесь она за время сеанса передачи длительностью 2,5 минуты должна быть на уровне 10-9 (один герц на гигагерц!). Обычные кварцевые генераторы такой стабильности не обеспечивают, поэтому необходимо применение вторичных эталонов частоты. Другие трудности будут ясны из описания аппаратуры.

   

Упрощенная структурная схема "лунной" радиостанции показана на рис. 1. Все узлы слева от штриховой линии расположены на рабочем месте оператора, а справа - в антенном блоке, находящемся в фокусе параболической антенны. Эталоном частоты G1 служит кварцевый термостатированный генератор "Гиацинт", который раньше применялся в составе прецизионных частотомеров. Поскольку частота его выходного сигнала довольно низка (5 МГц) и мало пригодна для дальнейшего умножения (соседние гармоники оказываются близко, и их трудно отфильтровать), было решено использовать другой кварцевый генератор на частоту 65 МГц и "привязать" его к эталону системой ФАПЧ(блокШ).

Сигнал кварцевого генератора поступает на линейку умножителей, где выделяется сначала пятая гармоника частоты 65 МГц, и затем следуют еще два удвоителя частоты (блок U2). Сигнал с частотой 1300 МГц по ВЧ кабелю подается на следующий умножитель частоты U3, расположенный в антенном блоке. В нем чередуются умножители, усилительные каскады и фильтры гармоник. Сигнал с частотой 23,4 ГГц с двух параллельных выходов этого узла поступает на смесители U4 передающего и U5 приемного трактов.

Оба смесителя выполнены на встречно-параллельных диодах по схеме, предложенной В. Поляковым (RA3AAE) еще в 1976 г. для приемников прямого преобразования. Эти смесители хороши тем, что требуют вдвое меньшей частоты гетеродинного сигнала по сравнению с обычными и позволяют легко развязать цепи входного сигнала и гетеродина.

На рис. 2 изображена топология микрополоскового узла смесителя на встречно-параллельных диодах (диоды ЗА138А производства Томского НИИПП - темный квадратик в центре). Сигнал поступает по микрополосковой линии справа, четвертьволновый отрезок линии, направленный вниз, замыкает накоротко колебания с частотой гетеродина, в то же время для частоты сигнала он оказывается полуволновым и не влияет на работу смесителя. Аналогичным образом колебания гетеродина поступают по линии слева, а для замыкания цепи сигнала служит четвертьволновый отрезок, направленный вверх. Цепи подачи и съема сигнала ПЧ на расстоянии в четверть волны от основной линии зашунтированы блокировочными конденсаторами (выступающие секторы). Диаметр всего изображения, снятого через микроскоп - около 10 мм.

Сигнал сдвига частоты передатчика 288 МГц поступает на смеситель U4 (рис. 1) либо оттрансвертера (на схеме не показан) по отдельному кабелю, либо от встроенного кварцевого гетеродина с подстройкой (VXO) G2. После смесителя U4 сигнал на рабочей частоте 47088 МГц усиливает двухкаскадный усилитель на гибридной микросхеме миллиметрового диапазона А1 и затем оконечный усилитель на ЛБВ А2. Непосредственно к выходу ЛБВ коротким отрезком волновода подключена рупорная антенна-облучатель WA1 .

Аналогичный рупор использован и для приема -WA2. Принятый сигнал усиливает малошумящий усилитель A3, на выходе которого установлен узкополосный двухрезонаторный фильтр Z1, подавляющий зеркальный канал приема. После смесителя приемника U5 сигнал ПЧ с частотой 288 МГц усиливает предварительный транзисторный УПЧ А4. Сигнал ПЧ поступает на трансвертер 288/28 МГц или иной связной приемник.

Трансвертер 288/28 МГц выполнен по стандартным схемам, уже описанным в радиолюбительской литературе. Он работает совместно с любым KB трансивером диапазона 10 метров.

В радиостанции использована та же параболическая антенна диаметром 2,4 м со смещенным фокусом (рис. 3), что послужила два года назад для установления первой межконтинентальной связи на 24 ГГц. Разумеется, антенный блок был заменен новым. Точность поверхности зеркала для диапазона 6 мм оказалась на пределе и, возможно, привела к некоторому "размыванию" луча. Тем не менее, по сделанным оценкам, ширина луча составила около 0,25°, что вдвое меньше углового размера Луны, таким образом, облучалась в основном центральная часть лунного диска, дающая максимальный вклад в отраженный сигнал.



Конструкция антенного блока ясна из рис. 4. В середине на несущей ферме виден корпус ЛБВ с двумя волноводными фланцами сверху. К выходному фланцу изогнутым волноводом подключен рупор WA1. Выше находится приемный рупор WA2, непосредственно около него - МШУ A3 (СВЧ микросхема СНА 2157 производства United Monolithic Semiconductors) и фильтр Z1 (две белых точки - подстроечные диэлектрические винты резонаторов). Над входным фланцем ЛБВ видны усилитель А1 (НММС-5040 производства Agilent) и смеситель передатчика U4 (U5 плохо виден за защитным ограждением). Слева на ферме закреплен гетеродинный блок U3, а снизу в большом корпусе - часть блока питания и стабилизации режима ЛБВ. При переключении прием-передача положение антенного блока изменяется сервоприводом так, чтобы в фокусе зеркала оказывался приемный или передающий рупор.

Наладка и юстировка антенного тракта проводились по радиоизлучению Солнца и Луны. В лучших условиях (хорошая погода и большой угол над горизонтом) были получены следующие результаты: шум Солнца - 9,6 дБ по отношению к шуму неба, шум Луны - 0,95 дБ. Интересно то, что шум Луны в этом диапазоне зависит от ее фазы, поскольку освещенная поверхность нагрета сильнее и шумит больше. На низкочастотных диапазонах этот эффект незаметен, поскольку в создании разлучения Луны там участвуют более глубокие подповерхностные слои, вариации температуры которых меньше.

Доплеровский сдвиг частоты, вызванный движением Луны и вращением Земли, достигает в диапазоне 47 ГГц ста и более килогерц, по счастью, он довольно точно может быть рассчитан с помощью программ, созданных энтузиастами ЕМЕ. Отраженный сигнал носит диффузный, размытый характер, несколько напоминающий звучание сигналов, отраженных от "авроры", хотя и заметно отличается от них.

Образец записи отраженных от Луны сигналов, полученный с помощью программы "Спектран", показан на рис. 5. Видна серия из четырех импульсов длительностью около 1 с каждый. Средняя частота сигнала изменяется от примерно 700 Гц до 1 кГц из-за непрерывного изменения доплеровского сдвига частоты.


Редактор - В. Поляков, графика - Ю. Андреев, фото - авторов


ООО «ЭлТек-96»
119607, Москва, Мичуринский проспект, 27, корпус 2
E-mail: info@et96.ru

Задать вопрос