Покращення характеристик генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПОКРАЩЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРА ЗОНДУЮЧИХ ІМПУЛЬСІВ НАДШИРОКОСМУГОВИХ МОБІЛЬНИХ РАДІОЛОКАТОРІВ

Спеціальність 05.12.13 - радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

МАКАРИШКІН ДЕНИС АНАТОЛІЙОВИЧ

Хмельницький - 2009

Дисертацією є рукопис:

Робота виконана в Хмельницькому національному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Мартинюк Валерій Володимирович,

Хмельницький національний університет,

доцент кафедри “Радіотехніки та зв'язку”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник

Зубков Анатолій Миколайович, головний науковий

співробітник Львівського науково-дослідного радіотехнічного інституту;

доктор технічних наук, професор

Кичак Василь Мартинович, Вінницький національний

технічний університет, завідувач кафедрою

“Телекомунікаційних систем і телебачення”.

Захист відбудеться 29 жовтня 2009 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради K70.052.04 у Хмельницькому національному університеті за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Хмельницького національного університету за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розіслано “ “ 2009 року.

В. о. вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради,

канд. техн. наук, проф. Косенков В. Д.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

надширокосмуговий радіолокатор суперконденсатор імпульс

Актуальність теми. Особливістю сучасних мобільних радіолокаторів є обмежений час спостереження за ціллю, тому використання звичайних радарів зі смугою частот, яка не перевищує 10 % від носійної частоти, обмежує інформативність таких радіотехнічних пристроїв. Кількість інформації, яка передається за одиницю часу, прямо пропорційна смузі частот. Для підвищення інформаційних можливостей мобільних радіолокаторів необхідно розширити їх смугу частот, використовуючи сигнали із надширокою смугою частот.

В надширокосмугових мобільних радіолокаторах інформативність підвищується завдяки зменшенню імпульсного об'єму мобільного радіолокатора по дальності. При зміні тривалості зондуючого імпульсу від 1 мкс до 1 нс глибина імпульсного об'єму зменшується від 300 м до 30 см, а це означає що інструмент, який досліджує простір стає значно чутливим. В надширосмугових мобільних радіолокаторах використовуються короткі імпульсні сигнали тривалістю від 1 нс до 5 нс.

Для надширокосмугових мобільних радіолокаторів є характерним імпульсний режим роботи з короткими імпульсами струму від 2А і більше в залежності від випромінюваної потужності. У проміжках між цими імпульсами значення струму значно менше. Живлення надширокосмугових мобільних радіолокаторів здійснюється від акумуляторів та батарей номінальним струмом, значення якого значно менше ніж імпульси струму надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Акумулятори та батареї є інерційними пристроями живлення із тривалим часом доступу до накопичуваної енергії. Постійні розряди та заряди акумуляторів та батарей великими струмами та їх використання в недозарядженому стані не забезпечує потрібних параметрів та призводить до швидкої втрати працездатності.

Погіршення властивостей стандартних джерел живлення надширокосмугових мобільних радіолокаторів призводить до погіршення технічних параметрів, зокрема коефіцієнта корисної дії та вихідної потужності генератора зондуючих імпульсів надширосмугових мобільних радіолокаторів, а також тривалості фронту та спаду імпульсів. Як показали проведені у даному напрямку дослідження одним із альтернативних шляхів забезпечення потрібних значень технічних параметрів надширокосмугових мобільних радіолокаторів є застосування суперконденсаторів.

Важливою перевагою застосування суперконденсаторів в надширокосмугових мобільних радіолокаторах є також значне збільшення терміну експлуатації акумуляторів та батарей живлення надширокосмугових мобільних радіолокаторів, що значно підвищує ефективність роботи генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Тому покращення параметрів і характеристик генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів при застосуванні суперконденсаторів, є актуальною задачею.

Дослідженням властивостей, електричних параметрів та характеристик генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів присвячено цілий ряд теоретичних і експериментальних робіт І. Я. Іммореєва, Л. І. Телятникова, А. Н. Синяви, А. А. Судакова, Г. В. Глібовича, Л. Ю. Астаніна, А. А. Костильова, D. Taylor, W. Barrett, I. Warhus, C. Davidson, R. Fontana, С. Л. Злобика, Н. Л. Осипова, В. Н. Скосирова та інших вчених. Однак питання підвищення вихідної потужності, зменшення тривалості фронтів та спадів імпульсів генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів в умовах дії коротких імпульсів струму великої амплітуди розглянуті недостатньо і вимагають детального вивчення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконана відповідно з поточними та перспективними планами наукової роботи ХНУ по тематиці подальшого розвитку засобів радіоелектроніки, інформаційних технологій та телекомунікаційних систем. Дослідження тісно пов'язане з тематикою що фінансується за рахунок видатків Міністерства освіти та науки України, в яких автор приймав особисту участь, а саме:

- “Методи і способи вимірювань параметрів суперконденсаторів та енергозберігаючих джерел”, номер державної реєстрації ДР 0109U000515. В даній роботі автором розроблено математичну модель суперконденсатора.

- “Розробка навчально-лабораторного комплекту вимірювальних приладів”, номер державної реєстрації ДР 0107U000957. В даній роботі автором розроблено автоматизовані лабораторні стенди для дослідження динамічних та нелінійних характеристик суперконденсаторів на змінному та постійному струмі.

Мета та завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні вихідної потужності, зменшення тривалості фронтів та спадів зондуючих імпульсів та підвищення коефіцієнта корисної дії генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів шляхом застосування суперконденсаторів.

Для досягнення мети в дисертаційній роботі вирішені наукові завдання, які полягають у кореляції з новими науковими результатами:

проведено аналіз випромінювання, прийому, принципів генерування та формування надширокосмугових сигналів в мобільних радіолокаторах;

розроблено математичну модель генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів з покращеними характеристиками;

розроблено математичну модель суперконденсатора для моделювання роботи генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів з покращеними характеристиками;

розроблено метод імпедансної параметризації та спеціалізоване апаратне і програмне забезпечення для визначення параметрів еквівалентної схеми заміщення суперконденсатора та підбору їх із подібними параметрами і характеристиками для застосування в схемі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів з покращеними характеристиками.

Об'єкт дослідження - процес генерації зондуючих імпульсів, які відбуваються в генераторі зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів при використанні суперконденсаторів для покращення їх характеристик.

Предметом дослідження - підвищення вихідної потужності, зменшення тривалості фронту і спаду зондуючих імпульсів та покращення коефіцієнта корисної дії в генераторах зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Методи досліджень. Для розв'язання сформульованих задач застосовувались теоретичні й експериментальні методи дослідження. Теоретичні дослідження базуються на теорії електричних кіл, яка використовувалась для розрахунку електричної схеми генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Теорія диференційного та інтегрального числення використовувалась для побудови математичної моделі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Методи аналізу та синтезу радіотехнічних пристроїв використовувались для розробки еквівалентної схеми заміщення суперконденсатора. Чисельні методи розв'язку систем диференційних рівнянь використовувались для математичного моделювання режимів роботи генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Експериментальні дослідження проведені з використанням теорії вимірювань, теорії похибок та комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

- вперше розроблено метод імпедансної параметризації для визначення електричних параметрів суперконденсаторів, який відрізняється використанням імпедансних спектрів суперконденсаторів в широкому діапазоні частот для різних зарядних напруг суперконденсаторів, що надає можливість отримати функціональні залежності кожного параметра еквівалентної схеми заміщення від напруги заряду суперконденсатора та зняти обмеження на їх застосування в генераторах зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів;

- удосконалено математичну модель генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, яка відрізняється від існуючих урахуванням введення нового вузла в структурній схемі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів для перетворення напруги, що складається з суперконденсаторів та перетворювача постійної напруги;

- вперше отримано аналітичний вираз комплексного опору суперконденсатора, який враховує ємність та опір фарадеївського процесу, що дозволяє підвищити точність апроксимації імпедансних спектрів суперконденсатора;

- набула подальшого розвитку аналітична залежність розрядного струму суперконденсатора в операторному вигляді, яка враховує параметри нелінійної еквівалентної схеми заміщення та дозволяє значно визначити час доступу до накопичуваної енергії, що дає можливість визначити умови для покращення параметрів і характеристик генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

- розроблено структурну та електричну схему генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів із використанням суперконденсаторів, які дозволяють підвищити вихідну потужність, зменшити тривалість фронтів і спадів імпульсів та підвищити коефіцієнт корисної дії генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів;

- проведено моделювання генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів за допомогою пакету LTspice IV на базі розробленої математичної моделі, що дозволило підтвердити результати експериментальних досліджень;

- розроблено апаратне та програмне забезпечення для вирішення прикладних задач при досліджені параметрів і характеристик суперконденсаторів для застосування в генераторі зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Запровадження цих алгоритмів дозволило скоротити час тестування суперконденсаторів на 30-40 % в порівнянні з вихідними.

Теоретичні та практичні результати впроваджено в практику дочірнього підприємства “Ей Пі Сі Ті Україна” (м. Хмельницький) та державного підприємства “Подільській експертно-технічний центр” Національного науково-дослідного інституту промислової безпеки та охорони праці (м. Хмельницький), їх використано також у навчальному процесі Хмельницького національного університету на кафедрі радіотехніки та зв'язку та при проведенні науково-дослідних робіт.

Особистий внесок здобувача. Основні наукові й прикладні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем особисто. У спільних публікаціях особисто здобувачу належить наступне: [1] - дослідження впливу ємності подвійного електричного шару суперконденсатора на його імпедансний спектр, [2] - аналіз проблеми визначення електричних параметрів суперконденсаторів, [3] - визначення електричних параметрів суперконденсаторів на постійному струмі зарядно-розрядним методом, [4] - дослідження похибок математичних моделей суперконденсаторів, [5] - визначення методичних похибок активного опору та ємності суперконденсаторів з використанням аналітичних виразів дійсної та реактивної складової функції комплексного опору суперконденсатора, [6] - аналіз багатоканального автоматизованого стенду для дослідження динамічних та нелінійних характеристик суперконденсаторів на постійному струмі, [7] - аналіз суперконденсаторів на змінному струмі, [8] - дослідження математичної моделі струму перехідного процесу суперконденсаторів при підключенні суперконденсатора до постійного джерела напруги, [9] - дослідження впливу мультиплікативної похибки автоматизованого стенду для тестування суперконденсаторів на визначення електричних параметрів суперконденсаторів, [10] - підвищення ефективності генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, [11] - математична модель генератора зондуючих імпульсів із використанням суперконденсаторів для надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати дисертаційної роботи оприлюднені на науково-практичній конференції “Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций - РТ-2006” (Севастополь 2006 р.); на третій міжнародній конференції “Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций - РТ-2007” (Севастополь 2007 р.); на п'ятій міжнародній науково-технічній конференції “Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (Хмельницький, 2007 р.); а також на 15-му міжнародному симпозіумі IMEKO TC-4 “Електричні вимірювання” (Ясси, 2007).

Публікації. Основні результати за темою дисертаційної роботи опубліковано в 7-х статтях у фахових наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України, в 5-х тезах доповідей на міжнародних науково-технічних конференціях.

Структура і обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Загальний обсяг роботи становить 152 сторінки друкованого тексту, основний зміст викладено на 126 сторінках, що містить 73 рисунки та 3 таблиці, додатки об'ємом 10 сторінок, список використаних джерел вміщує 150 найменувань на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність проблеми, мета та основні завдання дослідження, визначається наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, дається характеристика реалізації та впровадження положень роботи, подається інформація щодо апробації й публікації результатів дисертаційної роботи, особистий вклад у надрукованих працях та обсяг дисертації.

У першому розділі відповідно до динаміки процесів формування зондуючих сигналів в радіолокаторах розглянуті існуючі підходи до покращення параметрів і характеристик генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Показано, що традиційні радіолокатори, які мають вузьку смугу частот, на теперішній час майже повністю вичерпали свої інформативні можливості.

В надширокосмугових мобільних радіолокаторах інформативні можливості підвищуються завдяки зменшенню імпульсного об'єму радіолокатора по дальності. Показано, що зменшення тривалості імпульсного зондуючого сигналу в надширокосмуговому мобільному радіолокаторі дозволяє збільшити точність вимірювання відстані до цілі та підвищити розрізнювальну здатність по дальності, розпізнати клас і тип цілі, підвищити ефективність захисту від видів пасивних завад та підвищити стійкість надширокосмугового мобільного радіолокатора до впливу зовнішніх електромагнітних випромінювань та завад.

Живлення генератора зондуючих імпульсів надширокосмугового мобільного радіолокатора здійснюється від літій-іонної батареї напругою U_Б = 3,6 В, яка характеризуються значеннями внутрішнього активного опору в межах R_ВН = 300 мОм,

В процесі випромінювання надширокосмуговим мобільним радіолокатором коротких імпульсів струм літій-іонної батареї досягає значення I_Б = 2 А і більше в наслідок цього виникає спад напруги на внутрішньому опорі літій-іонної батареї R_ВН, що виражається наступним співвідношенням:.

Втрати енергії на внутрішньому опорі літій-іонної батареї спричиняють зменшення напруги живлення, яка поступає на генератор імпульсів надширокосмугового мобільного радіолокатора, до величини U_Г = 3,6 - 0,6 = 3 В, а це призводить до зміни положення робочої точки активних елементів генератора, спотворення форми вихідного сигналу та зменшення його коефіцієнта корисної дії майже до 17 % в порівнянні із живленням від ідеального джерела, для якого значення активного внутрішнього опору R_ВН = 0 Ом.

При уточненні параметрів та характеристик генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів встановлено, що при формуванні коротких імпульсів струму великої амплітуди найбільш перспективним є використання суперконденсаторів для підвищення ефективності генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Найкращі зразки сучасних суперконденсаторів характеризуються величиною ємності у тисячі фарад, струмами у сотні та тисячі ампер та низькими значеннями активного опору в сотні мікроом та одиниці міліом.

Застосування суперконденсаторів визначає головні напрямки розвитку перспективних генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, удосконалення їх динамічних режимів роботи, що дозволяє збільшити вихідну потужність, скоротити тривалість фронту і спаду імпульсу та підвищити коефіцієнт корисної дії в процесі формування імпульсних зондуючих надширокосмугових сигналів.

У другому розділі вперше запропоновано вдосконалену математичну модель генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, яка використовує блок послідовно з'єднаних суперконденсаторів та перетворювач постійної напруги літій-іонної батареї,

Враховуючи, що типова літій-іонна батарея створює напругу U_Б = 3,6 В, а робоча напруга одного суперконденсатора складає U_СК = 2,75 В, автор пропонує застосувати послідовне з'єднання двох суперконденсаторів у блок суперконденсаторів із загальною робочою напругою U_БСК = 5,5 В.

Для перетворення постійної напруги літій-іонної батареї U_Б = 3,6 В в постійну напругу блоку суперконденсаторів U_БСК = 5,5 В використовується перетворювач постійної напруги. Це дозволить підвищити потужність генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів та призведе до покращення його технічних характеристик.

На основі вдосконаленої математичної моделі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів запропоновано його нову електричну схему із використанням блока суперконденсаторів, В запропонованій схемі використовуються типові елементи: літій-іонна батарея напругою U_Б = 3,6 В, перетворювач постійної напруги D_A1 типу LTC3442 фірми Linear Technology для перетворення постійної напруги літій-іонної батареї U_Б = 3,6 В у постійну напругу блоку суперконденсаторів C₅ та C₆ U_БСК = 5,5 В.

Також в схемі використовується програмований формувач імпульсів DA₃ типу DS1040, фірми Dallas Semiconductor, який може формувати зондуючі імпульси тривалістю від 5 нс до 50 нс залежно від вхідного кодового слова. Для забезпечення вихідної потужності зондуючих імпульсів використовується потужний надвисокочастотний польовий транзистор VT₁ типу P121, фірми PolyFET RF Devices.

Аналіз вихідної вольтамперної характеристики польового транзистора Р121, показує, що при використанні блоку суперконденсаторів лінія навантаження перетинає криву насичення при більшому значенні струму стоку I_СБСК ? 1,2 А, ніж при використанні лише літій-іонної батареї без блоку суперконденсаторів, тоді I_СБЗМ ? 0,9 А.

Коефіцієнт збільшення потужності вихідного сигналу m_P, яка виділяється на польовому транзисторі при використанні блоку суперконденсаторів у порівнянні із схемою без блоку суперконденсаторів, визначається наступним виразом:

 (1)

Використання блоку суперконденсаторів у вдосконаленій схемі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів дозволяє збільшити напругу між затвором і витоком від величини до величини Звідси коефіцієнт зменшення фронту та спаду зондуючих імпульсів визначається наступним виразом:

(2)

Для точного підбору параметрів суперконденсаторів для схеми генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів вперше запропоновано нелінійну математичну модель суперконденсатора у вигляді його нелінійної еквівалентної схеми заміщення,

У цій нелінійній еквівалентній схемі заміщення застосовано наступні елементи: - активний опір виводів, - активний розподілений нелінійний опір електродів, - розподілена індуктивність електродів, - активний розподілений нелінійний фарадеївський опір, - розподілена нелінійна фарадеївська ємність, - активний розподілений нелінійний фарадеївський опір саморозряду, - розподілена нелінійна ємність подвійного електричного шару та - активний розподілений нелінійний опір саморозряду.

Вперше отримано аналітичний вираз функції комплексного опору нелінійної математичної моделі суперконденсатора у вигляді, що показано наступним виразом:

 (3)

Вперше розроблено метод імпедансної параметризації для визначення електричних параметрів суперконденсаторів, який відрізняється використанням імпедансних спектрів суперконденсаторів в широкому діапазоні частот для різних зарядних напруг суперконденсаторів, що дозволяє отримати функціональні залежності кожного параметра еквівалентної схеми заміщення від напруги заряду суперконденсатора та зняти обмеження на їх застосування в генераторах зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Суть методу імпедансної параметризації полягає в наступному:

1) визначення імпедансних спектрів суперконденсатора в широкому діапазоні частот для різних напруг заряду суперконденсатора;

2) апроксимація визначених імпедансних спектрів та визначення параметрів еквівалентної схеми заміщення для кожного рівня напруги суперконденсатора;

3) отримання інтерполяційних функційних залежностей кожного параметра еквівалентної схеми заміщення від напруги заряду суперконденсатора.

У третьому розділі наведені результати моделювання генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Визначена адекватність різних математичних моделей суперконденсаторів та розраховані середні квадратичні відносні похибки апроксимації комплексного опору суперконденсаторів методом найменших квадратів, які зведені в табл. 1.

Таблиця 1

Порівняльна оцінка різних математичних моделей суперконденсатора

Математична модель суперконденсатора	Середня квадратична відносна похибка апроксимації , %
Проста лінійна трьохелементна математична модель	12,42
Математична модель Максвела-Вагнера	2,11
Нелінійна математична модель	0,88

Моделювання електричної схеми генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, виконано в програмному середовищі LTspice IV, фірми Linear Technology. Аналогічно було проведено моделювання електричної схеми генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів без використання блоку суперконденсаторів C₅ та C₆ та перетворювача постійної напруги DA₁ типу LTC3442.

В результаті моделювання отримано осцилограми імпульсів струму, який проходить через резистор навантаження R_н = 1,5 Ом у схемі із блоком суперконденсаторів та перетворювачем постійної напруги

Визначено, що за допомогою блока суперконденсаторів та перетворювача постійної напруги амплітуда від'ємної частини імпульсу струму складає I_ск-max ? 2 А, а амплітуда додатної частини імпульсу струму складає I_ск+max ? 4,9 А, а при відсутності блока суперконденсаторів та перетворювача постійної напруги амплітуда від'ємної частини імпульсу струму складає I_б-max ? 1,25 А, а амплітуда додатної частини імпульсу струму складає I_б+max ? 3,2 А.

Коефіцієнт збільшення потужності вихідного сигналу , яка виділяється на навантаженні визначається наступним співвідношенням:

. (4)

Коефіцієнт зменшення тривалості фронту імпульсів генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів у схемі із блоком суперконденсаторів та перетворювачем постійної напруги визначається наступною формулою:

(5)

Проведено моделювання та вперше отримано аналітичну залежність розрядного струму суперконденсатора в операторному вигляді, яка описується таким виразом:

, (6)

де E - напруга джерела живлення;

y₀, y₁, …, y₅ та v₀, v₁, …, v₁₂ - коефіцієнти, які залежать від параметрів нелінійної еквівалентної схеми заміщення суперконденсатора.

Аналітична залежність розрядного струму суперконденсатора враховує параметри нелінійної еквівалентної схеми заміщення та дозволяє значно визначити час доступу до накопичуваної енергії, що дає можливість визначити умови для покращення параметрів і характеристик генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

Визначено, що при під'єднанні до суперконденсатора джерела постійної напруги у початковий момент часу струм досягає максимального значення , а далі протягом часу t = 8 c, струм зменшується до мінімального значення . Вплив розподіленої паразитної індуктивності пористого електроду спостерігається у появі локального екстремуму струму під час перехідного процесу.

У четвертому розділі розроблені та досліджені автоматизовані лабораторні стенди для дослідження генератора зондуючих імпульсів із використанням суперконденсаторів на змінному та постійному струмі, а також програмне забезпечення для вирішення прикладних задач при досліджені параметрів і характеристик суперконденсаторів для застосування в генераторі зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Запровадження цих алгоритмів дозволило скоротити час тестування суперконденсаторів на 30-40 % в порівнянні з вихідними.

В основу роботи автоматизованого лабораторного стенду для дослідження генератора зондуючих імпульсів із використанням суперконденсаторів на змінному струмі покладено запропонований автором метод імпедансної параметризації.

ВИСНОВКИ

В роботі отримали подальший розвиток питання підвищення потужності вихідного сигналу, зменшення тривалості часу фронту і спаду імпульсів і підвищення коефіцієнта корисної дії генераторів зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів із використанням суперконденсаторів, які є актуальними у зв'язку з тенденціями зростаючого використання надширокосмугових мобільних радіолокаторів у військовій техніці в системах розпізнавання та отримання зображень для виявлення ворожих літаків, ракет та рухомих наземних об'єктів, в цивільній техніці для підповерхневого зондування та визначення стану залізобетонних конструкцій, виявлення об'єктів, у ґрунті, стінах та лісі, а також для медичного дослідження.

За результатами проведених досліджень отримано наступні результати:

1. Вперше розроблено метод імпедансної параметризації для визначення електричних параметрів суперконденсаторів, який відрізняється використанням імпедансних спектрів суперконденсаторів в широкому діапазоні частот для різних зарядних напруг суперконденсаторів, що надає можливість отримати функціональні залежності кожного параметра еквівалентної схеми заміщення від напруги заряду суперконденсатора та зняти обмеження на їх застосування в генераторах зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

2. Удосконалено математичну модель генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, яка відрізняється від існуючих урахуванням введення нового вузла в структурній схемі генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів для перетворення напруги, що складається з суперконденсаторів та перетворювача постійної напруги.

3. Вперше отримано аналітичний вираз комплексного опору суперконденсатора, який враховує ємність та опір фарадеївського процесу, що дозволяє підвищити точність апроксимації імпедансних спектрів суперконденсатора.

4. Набула подальшого розвитку аналітична залежність розрядного струму суперконденсатора в операторному вигляді, яка враховує параметри нелінійної еквівалентної схеми заміщення та дозволяє значно визначити час доступу до накопичуваної енергії, що дає можливість визначити умови для покращення параметрів і характеристик генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

5. Розроблено структурну та електричну схему генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів із використанням суперконденсаторів, які дозволяють підвищити вихідну потужність, зменшити тривалість фронтів і спадів імпульсів та підвищити коефіцієнт корисної дії генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів.

6. Проведено моделювання генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів за допомогою пакету LTspice IV на базі розробленої математичної моделі, що дозволило підтвердити результати експериментальних досліджень.

7. Розроблено апаратне та програмне забезпечення для вирішення прикладних задач при досліджені параметрів і характеристик суперконденсаторів для застосування в генераторі зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Запровадження цих алгоритмів дозволило скоротити час тестування суперконденсаторів на 30-40 % в порівнянні з вихідними.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

Мартинюк В. В. Дослідження ємності подвійного електричного шару електрохімічних суперконденсаторів / В. В. Мартинюк, Д. А. Макаришкін // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 2004. - № 2. - С. 54-57.

Макаришкін Д. А. Вимірювання параметрів електрохімічних суперконденсаторів / Д. А. Макаришкін // Материалы международной молодежной научно-технической конференции студентов, аспирантов и ученых “Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций”. - Севастополь. - 2006. - С. 129.

Мартинюк В. В. Стенд для вимірювання параметрів електрохімічних суперконденсаторів зарядно-розрядним методом / В. В. Мартинюк, Ю. М. Бойко, Макаришкін Д. А. // Вісник Хмельницького національного університету. - Технічні науки. - Т. 2. - Хмельницький. - 2006. - № 4. - С. 76-78.

Макаришкін Д. А. Похибки математичних моделей електрохімічних суперконденсаторів / Д. А. Макаришкін, Ю. М. Бойко // Материалы 3-й международной молодежной научно-технической конференции “Cовременные проблемы радиотехники и телекоммуникаций”. - Севастополь. - 2007. - С. 140.

Мартинюк В. В. Методичні похибки вимірювання ємності та активного опору електрохімічних суперконденсаторів на змінному струмі / В. В. Мартинюк, Д. А. Макаришкін, Ю. М. Бойко // Вісник Хмельницького національного університету. - Технічні науки. - Т. 1. - Хмельницький. - 2007. - № 2. - С. 215-217.

Martynyuk V. Electrochemical Supercapacitor Time Domain Analysis by Means of Multi-Channel Measurement System / V. Martynyuk, D. Makaryshkin, J. Boyko // Proceedings of the 15th IMEKO TC-4 International Symposium on Novelties in Electrical Measurements and Instrumentations. - Iasi. - 2007. - Vol. I. - P. 207-211.

Martynyuk V. Frequency Domain Analysis for Electrochemical Supercapacitors / V. Martynyuk, D. Makaryshkin, J. Boyko // Proceedings of the 15th IMEKO TC-4 International Symposium on Novelties in Electrical Measurements and Instrumentations. - Iasi. -2007. - Vol. II. - P. 357-361.

Мартинюк В. В. Дослідження математичної моделі струму перехідного процесу електрохімічних суперконденсаторів / В. В. Мартинюк, Д. А. Макаришкін, В. Є. Скубій // Вісник Хмельницького національного університету. - Технічні науки. - Т. 3. - Хмельницький. - 2008. - № 3. - С. 98-101.

Макаришкін Д. А. Аналіз мультиплікативної похибки вимірювача електричних параметрів електрохімічних суперконденсаторів на змінному струмі / Д. А. Макаришкін // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. - Хмельницький. - 2008. - № 2. - С. 54 -57.

Шинкарук О. М. Підвищення ефективності генераторів коротких імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів / О. М. Шинкарук, В. В. Мартинюк, Д. А. Макаришкін // Військово-технічні науки, Державна прикордонна служба України, Національна академія Державної прикордонної служби України імені Б. Хмельницького. - Хмельницький : НАДПСУ. Ч. 2. № 48/1, 2008. - С. 83-86.

Макаришкін Д. А. Математична модель генератора зондуючих імпульсів із використанням суперконденсаторів для надширокосмугових мобільних радіолокаторів / Д. А. Макаришкін // Вісник Хмельницького національного університету. - Технічні науки. - Т. 3. - Хмельницький. - 2009. - № 3. - С. 245-249.

АНОТАЦІЯ

Макаришкін Д. А. Покращення характеристик генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13. - “Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій”. - Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2009. Дисертацію присвячено покращенню параметрів та характеристик генератора зондуючих імпульсів надширосмугових мобільних радіолокаторів, зокрема підвищенню вихідної потужності, зменшенню тривалості фронтів та спадів зондуючих імпульсів та підвищенню коефіцієнта корисної дії шляхом застосування суперконденсаторів. Вперше розроблено метод імпедансної параметризації для визначення електричних параметрів суперконденсаторів, який відрізняється використанням імпедансних спектрів в широкому діапазоні частот для різних зарядних напруг. Удосконалено математичну модель генератора зондуючих імпульсів надширосмугових мобільних радіолокаторів. Розроблено: структурну та електричну схему генератора зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів із використанням суперконденсаторів; апаратне та програмне забезпечення для вирішення прикладних задач при досліджені параметрів і характеристик суперконденсаторів для застосування в генераторі зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів. Основні результати роботи впровадженні на промислових підприємствах та використовуються у навчальному процесі, їх використано також при проведені науково-дослідних робіт.

Ключові слова: генератор зондуючих імпульсів надширокосмугових мобільних радіолокаторів, суперконденсатор, параметри, електричні параметри, характеристики, модель, математична модель, еквівалентна схема заміщення.

АННОТАЦИЯ

Макарышкин Д. А. Улучшение характеристик генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13. - “Радиотехнические приборы и средства телекоммуникаций”. - Хмельницкий национальный университет, Хмельницкий, 2009.

Диссертация посвящена улучшению параметров и характеристик генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов, в частности повышению выходной мощности, уменьшению длительности фронтов и спадов зондирующих импульсов и улучшению коэффициента полезного действия путем использование суперконденсаторов.

Впервые разработан метод импедансной параметризации для определения электрических параметров суперконденсаторов, который отличается использованием импедансных спектров суперконденсаторов в широком диапазоне частот для разных зарядных напряжений суперконденсаторов.

Метод импедансной параметризации позволяет получить функциональные зависимости каждого электрического параметра эквивалентной схемы замещения от напряжения заряда суперконденсатора, а также снять ограничение на их применение в генераторах зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторах.

Усовершенствовано математическую модель генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов, которая отличается от существующих учетом введения нового узла в структурной схеме генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов для преобразования напряжения, который состоит из суперконденсатора и преобразователя напряжения.

Впервые получено аналитическое выражение комплексного сопротивления суперконденсатора, которое учитывает емкость и сопротивление фарадеевского процесса, что позволяет повысить точность аппроксимации импедансных спектров суперконденсаторов.

Получила дальнейшее развитие аналитическая зависимость разрядного тока суперконденсатора в операторном изображении, которая учитывает параметры нелинейной схемы замещения и позволяет определить время доступа к накопительной энергии, что дает возможность определить условия для улучшения параметров и характеристик генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов.

Разработано структурную и электрическую схему генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов с использованием суперконденсаторов, что позволило повысить выходную мощность, уменьшить длительность фронта и спада импульсов, и повысить коэффициент полезного действия генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов.

Проведено моделирование генератора зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов с помощью пакета LTspice IV на базе разработанной математической модели.

Разработано аппаратное и программное обеспечение для решения прикладных задач при исследовании параметров и характеристик суперконденсаторов для применения в генераторе зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов. Внедрение этих алгоритмов позволило сократить время тестирование суперконденсаторов на 30-40 % в сравнении с существующими стендами для исследования параметров и характеристик суперконденсаторов.

Теоретические и практические результаты внедрены в практику Дочернего предприятия “Эй Пи Си Ти Украина” (г. Хмельницкий) и Государственного предприятия Подольский экспертно-технический центр национально научно-исследовательского института промышленной безопасности и охраны жизни (г. Хмельницкий), а также используются в учебном процессе Хмельницкого национального университета на кафедре радиотехнике и связи, и при проведении научно-исследовательских работ.

Ключевые слова: генератор зондирующих импульсов сверхширокополосных мобильных радиолокаторов, суперконденсатор, параметры, электрические параметры, характеристики, модель, математическая модель, эквивалентная схема замещения.

ANNOTATION

Makaryshkin D. A. Improvement of characteristics of direct pulse generator of ultra wideband radars. - Manuscript.

PhD thesis for Degree of Candidate of Technical Sciences specialty 05.12.13 - “Radiotechnical devices and means of telecommunications”. - Khmelnytskiy National University, Khmelnytskiy, 2009.

The thesis is devoted to further improvement of parameters and characteristics of direct pulse generator of ultra wideband radars, especially improvement the output power, the pulse arising and dropping time, and the performance index by means of the using supercapacitors. The impedance parameterization method is developed at first time. This method is differed by using of the impedance spectra in wide frequency range for different charging voltages. The mathematical model of the direct pulse generator of ultra wideband radars is improved. The block diagram and the schematic are developed for direct pulse generator of ultra wideband radars by using supercapacitors; hardware and software for solving of the applied tasks of at the investigation of the supercapacitors parameters and characteristics which are using in the direct pulse generator of ultra wideband radars. The main results of work are introduced in the industrial plats and using in the educational process. They are using in the scientific researches.

Keywords: direct pulse generator of ultra wideband radars, supercapacitor, parameters, electrical parameters, characteristics, model, mathematical model, equivalent circuit.

Размещено на Allbest.ru

...