ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ СВЧ ГЕНЕРАТОРЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ (К 60-ЛЕТИЮ ФГУП «НПП «ИСТОК»)

April 12, 2012 by admin Комментировать »

Мальцев В. А., Мякиньков В. Ю., Рудый Ю. Б., Горюнов И. В., Гусев А. П. Лебедев В. Н., Тыртышников А. В. Чугуй А. П. ФГУП «НПП «ИСТОК» 191120, Россия, Московская обл., г. Фрязино, ул. Вокзальная, д. 2а тел. (095) 465-88-87, (095) 465-86-96, e-mail: “Maltsev” <istok17@mail.ru>

Аннотация – Представлена классификация СВЧ- генераторов малой мощности и устройств на их основе, разрабатываемых и выпускаемых в ФГУП «НПП «Исток». Показано многообразие областей их применения, предъявляющих к генераторам часто противоречивые требования. Отмечается специфика комплекса параметров приборов, связанная с разнообразием классов приборов.

Выделены важнейшие области использования СВЧ генераторов малой мощности:

– для военной аппаратуры – это РЭБ, РЛС различного назначения и связная аппаратура;

– для гражданского применения – это измерительная техника, системы радио и телевизионной связи, радиовысотомеры и радиоуровнемеры, охранные системы и различные датчики, медицинская аппаратура;

-а также множество других применений.

Отмечено, что одновременное развитие вакуумных и полупроводниковых СВЧ генераторов различных классов позволило оптимально реализовать присущие им комплексы параметров и характеристик, расширить возможности разработчиков РЭА.

I.  Введение

Среди многочисленных приборов, разработанных за последние годы, СВЧ генераторы малой мощности выделяются многообразием характеристик и областей применения. Большинство твердотельных СВЧ генераторов выполнены по гибридноинтегральной технологии с использованием микро- полосковых линий, нанесённых чаще всего на поли- коровые платы. Как правило, генераторы имеют модульную конструкцию, включающую в себя автогенератор и развязывающее устройство (ферритовый вентиль или буферный усилитель), в более сложных изделиях – умножители, делители частоты, усилители мощности, p-i-n-аттенюаторы, смесители, преобразователи, стабилизаторы питающих напряжений.

II.  Основная часть

Генераторы с электрической перестройкой частоты. Генераторы управляемые напряжением находят широкое применение в навигационной аппаратуре самолётов, в радиовысотометрии. Диапазон от 1 до 8 ГГц перекрывается четырьмя генераторами (1+2 ГГц, 2+4 ГГц, 4+6 ГГц, 6н-8 ГГц), выполненными на основе биполярных транзисторов и варакторных диодов со сверхрезким переходом. Выходная мощность более 10 мВт. Перепад по крутизне электрической перестройки частоты – не более 15 раз, при максимальной крутизне не более 500 МГц/В. В качестве развязки от внешнего тракта в этих приборах используются буферные усилители на полевом транзисторе.

Была разработана технология нанесения защитного слоя диэлектрика на напыленные резисторы для обеспечения сохранения номинала сопротивления с высокой точностью даже при воздействии температуры до 450°С при пайке кристаллов транзисторов золото-кремниевой эвтектикой. Диапазон частот от 8 до 18 ГГц перекрывается пятью типами генераторов на диодах Ганна (8-ИОГГц; 10+12 ГГц; 12-И4ГГц; 14+16 ГГц; 16-И8ГГц). Уровень гетеродинных шумов менее минус 160 дБ/Гц. Масса генераторов – от 50 до 150 г. В ходе этих работ были созданы: бескорпусные диоды Ганна; варакторные диоды с сверхрезким переходом на основе GaAs и Si; ЧИПы конденсаторов, работающих вплоть до 20 ГГц с возможностью пайки до 400°С.

Генераторы, стабилизированные по частоте. Важнейшим элементом генераторов с параметрической стабилизацией, позволившим наряду с обеспечением высокой стабильности частоты сигнала и низкого уровня шумов сохранить их малые габариты и массу, стали разработанные в ФГУП «НПП «Исток» высокодобротные миниатюрные диэлектрические резонаторы (ДР), изготовленные из материала 2БТ9, ЦТО с диэлектрической проницаемостью « 40, добротностью Q « 5000, и температурной нестабильностью « 1 • 10_6. Низкочастотные генераторы этого ряда (4+9 ГГц) работают на основной частоте автоколебаний, а высокочастотные (9-И8 ГГц) – по схеме удвоения частоты. Выходная мощность этих генераторов составляет 10+30 мВт, уровень частотных шумов не превышает минус 100дБ/Гц при отстройке от несущей 10 кГц, а нестабильность частоты в интервале температур от -60°С до +80°С не более +2><10′4 при высокой устойчивости к механическим воздействиям (девиация частоты f < 1 кГц при ускорении 10 g в диапазоне частот вибрации до 2000 Гц и выше. Относительная нестабильность частоты выходного сигнала была не хуже ±1×10′5 Выходная мощность не менее 30 мВт.

Уровень частотных шумов при отстройке от несущей на 10 кГц не превышал – (110+115) дБ/Гц. Масса прибора составила 350 г.

Столь высокие параметры были достигнуты благодаря применению в модулях автогенераторов с четырехконтурной схемой стабилизации частоты с использованием ДР, а также термостата, поддерживающего температуру элементов автогенератора, равной +55°С при изменении температуры окружающей среды в пределах от -50 до +50°С. Кроме этого в схему модулей были введены стабилизатор напряжения и ферритовый вентиль с целью ослабления влияния изменений напряжения, питания и нагрузки на частоту автоколебаний. Снижение массогабаритных характеристик и расширение частотного диапазона при создании маломощных СВЧ генераторов стабилизированных ДР, достигается:

– применением новых материалов для диэлектрических резонаторов с различной диэлектрической постоянной с в от 10 до 100 типа БЦНТ, ЦТО се- 40 и с БСТ в ~ 80, (разработка ФГУП «НПП «Исток»);

– повышением добротности (Q до 10 000 и выше);

– использованием делителей и умножителей частоты, (взяв за основу конструкцию генераторов на фиксированные частоты от 4 до 9 ГГц).

Генераторы с кварцевой стабилизацией частоты. Серия высокочастотных малошумящих кварцевых генераторов с виброзащитой для использования в качестве гетеродинов и опорных источников колебаний в различной бортовой и наземной РЭА (РЛС, системы связи, синтезаторы частоты и т. д.).

Диапазон фиксированных частот 50-300 МГц с выходной мощностью до сотен мВт.

Относительная нестабильность частоты выходного сигнала в интервале температур от -60°С до+85°С не более +1-10′5, а уровень частотных шумов при отстройке от несущей на 5 кГц до -150дБ/Гц на частоте 200 МГц.

Уровень вибраций до 10 g (10н-2000 Гц).

Генераторы на ПАВ. Созданные приборы работали на фиксированных частотах и с подстройкой частоты (не менее 0,1 %) в диапазоне 100-800 МГц с выходной мощностью десятки, а в некоторых случаях и сотни мВт.

Относительная нестабильность частоты выходного сигнала составляла в интервале температур от – 60°С до+85°С не более +1-10′4, а уровень частотных шумов при отстройке от несущей на 5 кГц находился в пределах от -125 до -150дБ/Гц в зависимости от типа прибора. ПАВ-генераторы с подстройкой частоты в полосе 0,1 % при тех же диапазонных и энергетических характеристиках имеют на порядок худший уровень частотных шумов.

Генераторы на лейкосапфировом резонаторе.

Дальнейшее снижение уровня частотных шумов было достигнуто в ОКР «Закрома», при создании транзисторного СВЧ генератора 3-см диапазона, в котором стабилизация частоты осуществлялась сверхвысокодобротным (Q > 105) лейкосапфировым резонатором. Частотные шумы у этого генератора не превышают минус 140 дБ/Гц на 10 кГц от несущей.

Генераторные устройства с коммутацией источников СВЧ сигналов на одну нагрузку. Развитие в ФГУП «НПП «Исток» твердотельных СВЧ генераторов, создание быстродействующих p-i-n переключателей позволило разработать СВЧ устройства, способных коммутировать источники СВЧ сигналов на одну нагрузку. Возможно создание генераторного модуля с переключением на единую нагрузку сигналов генераторов как стабилизированных по частоте, так и перестраиваемых по частоте.

В ГНПП «Исток» проводилась работа по созданию широкодиапазонного генератора, перекрывающего диапазон частот от 8 до 18 ГГц с помощью трех литерных генераторов на основе полевых транзисторов подключаемых на одну общую нагрузку с помощью p-i-n диодного переключателя.

Разработанные генераторные модули, представляют собой комбинации из нескольких, от 4-х до 8-и, высокостабильных автогенераторов, каждый из которых настроен на заданную частоту и обладает возможностью быстрого возбуждения и срыва колебаний без изменения электрического и теплового режима транзистора. В этом случае время установления частоты колебаний в автогенераторах не превышает нескольких мкс. Срыв колебаний у неподключенных к нагрузке автогенераторов гарантирует полное отсутствие паразитных составляющих в рабочем диапазоне частот. Переключение генераторов осуществляется с помощью коммутатора, управляемого сигналами ТТЛ уровня. Созданные генераторные устройства имеют выходную мощность 10 н- 20 мВт. Количество фиксированных частот – от 4 до 8.

В СВЧ устройство, работающее выше 9 ГГц, входит блок удвоения частоты.

Время переключения с одной фиксированной частоты на любую другую составляет 1 н- 3 мкс. Нестабильность частоты в интервале температур от – 60°С до +70 °С не более +2,5-10′4. Уровень частотных шумов в зависимости от схемы автогенератора и значений рабочих частот лежит в пределах от -95 до -125 дБ/Гц на 10 кГц отстройки.

Многочастотный перестраиваемый генератор на РОАВ с перестройкой частоты МСВ элементом.Устройство состоит из широкополосного генератора, выполненного на основе малошумящего транзистора, работающего на одной из мод резонатора на объемных акустических волнах (слоистого резонатора). В зависимости от геометрических размеров и используемых материалов возможно возбуждение в резонаторе целого спектра резонансных частот с добротностью десятки тысяч и дискретом от 5 до 100 МГц. Для селекции нужных частот резонансная система строится как двухконтурная. Это непосредственно резонатор на высших типах объемных акустических волн и связанный с ним перестраиваемый магнитным полем высокодобротный резонатор на МСВ, обладающий высокой фазовой добротностью в диапазоне частот, совпадающим с объемными акустическими колебаниями.В зависимости от тока управляющей катушки происходит перестройка и стабилизация генератора на частотах, определяемых спектром объемных акустических колебаний.

Важной особенностью данных устройств является то, что объемные акустические волны не оказывают взаимного электромагнитного влияния в отличии, например, от диэлектрических резонаторов и ОАВ – резонаторы обладают очень малыми геометрическими размерами (0,5><1,5><3 мм), что позволяет размещать несколько резонаторов на малой площади и создавать миниатюрные устройства, работающие на десятках частот.

Учитывая, что объемные акустические волны с не меньшей интенсивностью и добротностью образуются не только в диэлектриках, но и в полупроводниковых структурах, открывается великолепная возможность создания полностью монолитных схем стабильных малошумящих СВЧ генераторов.

Перестраиваемые МСВ-генераторы для синтезаторов систем связи. МСВ-генераторы предполагается использовать в синтезаторах частот для систем связи гражданского применения. Частотозадающие элементы – резонаторы и узкополосные линии задержки на МСВ в СВЧ – генераторах составляют серьезную конкуренцию хорошо зарекомендовавшим себя генераторам на ЖИГ – сферах.

СВЧ-генераторы с ФАПЧ. СВЧ-генераторы с ФАПЧ находят широкое применение в качестве возбудителей передатчиков и гетеродинов приемников РЭА. Для современных релейных линий телевизионной связи были разработаны твердотельные СВЧ генераторы с модуляцией сигнала с фазовой автоподстройкой частоты «Оазис-4,6» с внутренней кварцевой стабилизацией работающие в диапазонах частот от З.Здо 3,8 ГГц и от5,6до6,1 ГГц(по 16литер).

Длительная относительная нестабильность частоты в диапазоне температур от -10 до +55°С не хуже +1-10′5. Уровень частотных шумов наЮкГц от несущей -105 дБ/Гц. Мощность выходного сигнала 30 н- 45 мВт. Напряжение питания +20 В. Габаритные размеры 200x100x58 мм. Масса не более 1,5 кг.

Низкий уровень частотных шумов < -115 дБ/Гц на частоте анализа 10 кГц;

СВЧ синтезаторы для современных систем связи. В настоящее время дешевые и малогабаритные синтезаторы частоты можно создавать, либо применяя новые схемотехнические решения, либо используя импортные микросхемы. В результате разработки синтезаторов частоты в ОКР «Орион» выявилась возможность создания ряда синтезаторов в диапазоне частот от 400 МГц до 8 ГГц с рабочей полосой частот 20 %, шагом перестройки от 1 до 5 МГц и выходной мощностью до 10 мВт. В диапазоне частот от 2 ГГц до 8 ГГц используются аналоговые делители частоты на 2 или на 4 в гиб- ридно-интегральном исполнении, разработанные и выпускаемые в ФГУП «НПП «Исток». Уровень фазовых шумов при остройке от несущей на 1 кГц не превышает -60 дБ/Гц, на 10 кГц -75 дБ/Гц, на 100 кГц -90 дБ/Гц. При некотором усложнении схемы возможно уменьшение уровня фазовых шумов на 10 дБ. Уровень паразитных составляющих не хуже -60 дБ. Опорная частота внешнего кварцевого генератора 5 или 10 МГц. Синтезаторы имеют размеры 70x70x15 мм. Масса одного синтезатора около 60 грамм.

III.  Заключение

Разработано более 120 типов генераторов и устройств на их основе, применяемых более чем в 30 системах РЭА бортовой и наземной аппаратуры военного и гражданского назначения.

SOLID-STATE MICROWAVE LOW-POWER OSCILLATORS (TO 60-YEARS OF FEDERAL STATE UNITARY ENTERPRISE «RESEARCH AND PRODUCTION CORPORATION «ISTOK»)

Maltsev V. A., Myakinkov V. Yu, Rudy Yu. B., Goryunov I. V, Gusev A. P., Lebedev V, A, Chuguy A. P., Tyrtyshnikov A. V.

Federal State Unitary Enterprise

«Research and Production Corporation «ISTOK» (FSUE «RPC»ISTOK»)

2a Vokzalnaya str., Fryazino – 191120,

Moscow Region, Russia phone: (095)465-88-87;(095)465-86-96 e-mail: «Maltsev» istokl 7@mail. ru

Abstract – Presented in this paper is classification of microwave low-power oscillators and devices on their basis developed and produced in FSUE «RPC»ISTOK».

I.  Introduction

Microwave oscillators are low-power devices with diversity of characteristics and application fields. The majority of solid- state microwave oscillators are executed using hybrid – integral technology and microstrip lines.

II.  Main part

Oscillators with electric frequency tuning. Such oscillators are widely used in navigation airplanes and cruise missiles.

Oscillators stabilized in frequency. The most important part of oscillator with parametric stabilization is high Q miniature dielectric resonators, produced by FSUE «Istok». Such resonators make it possible to keep low weight and dimensions alongside with high frequency stability and low noise.

Crystal-controlled oscillators. A series of high frequency low-noise crystal oscillators used as local oscillators and reference sources of oscillations in different onboard and terrestrial REA (radar station, communications systems, frequency synthesizers etc.).

Oscillators on SAW. Devices operating at spot frequencies with frequency tuning (not less than 0,1 %) within 100-800 MHz frequency band with output power of tens to hundreds mW.

Sets of driving oscillators having fast frequency switching. Recently multiple frequency oscillator units providing the switching of stable microwave signal sources become widely used. These units provide frequency switching rate below 5 s while keeping the parameters of individual dielectric resonator (DR) – stabilized microwave oscillator. These oscillator units use sharp suppression and excitation of self -induced oscillations within the oscillator circuit.

Multifrequency variable-frequency oscillator on HBAR frequency-tuned by MSW.

Switch MSW oscillators for synthesizers of communications systems.

PLO – microwave oscillators.

Microwave synthesizers for modern communication systems.

III.  Conclusion

We have created more than 120 types of oscillators and devices on their basis, which are used more than in 30 systems of onboard and a ground equipment of military and civil applications.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты