ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫХ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ

February 15, 2013 by admin Комментировать »

Плаксин С. В., Погорелая Л. М., Соколовский И. И. Институт транспортных систем и технологий НАН Украины «Трансмаг» ул. Писаржевского, 5, г. Днепропетровск, 49005, Украина тел.: +8(056) 3702182, e-mail: svp(^westa-inter.com

Аннотация – Представлены результаты разработки и экспериментального исследования высокостабильного СВЧ- генератора, построенного с использованием стабилизирующего (опорного) резонатора, подключаемого по схеме полос- но-отражающего фильтра. Показано, что во избежание искажения спектра при механических нагружениях (вибрациях) необходимо ДОСТИЧЬ компромисса между величиной собственной добротности стабилизирующего резонатора и мерой влияния указанных дезорганизующих факторов.

I.                                       Введение

При разработке радиоволновых методов контроля и управления высокоскоростными технологическими процессами важным является создание высокостабильных генераторов на базе диодов Ганна с низким уровнем частотно- и амплитудно- модулированных шумов с приемлемым уровнем выходного сигнала, долговременной стабильностью частоты в интервале температур и при усложненных условиях эксплуатации (периодические и случайные вибрации, скачки и перепады питающих напряжений). Традиционная стабилотронная схема с высокодобротным цилиндрическим резонатором оказывается достаточно эффективной, если удается найти компромисс между допустимой потерей мощности на стабилизацию и коэффициентом стабилизации. При этом следует иметь в виду, что чем больше мощность в рабочей зоне стабилизации, тем меньше полоса захвата и удержания и что коэффициент стабилизации прямо пропорционален добротности стабилизирующего резонатора [1]. С другой стороны, с учетом условий эксплуатации (удары, вибрации, другие механические нагрузки) следует найти компромисс между добротностью опорного резонатора и мерой дезорганизующих факторов – вибраций и уходов питающих напряжений.

II.        Роль нестабильности параметров стабилизирующего резонатора

Правильно построенный СВЧ генератор, содер- жащий опорный стабилизирующий резонатор, должен обеспечивать низкие значения модуляционной чувствительности. Уходы частоты и мощности тем ниже, чем выше нагруженная добротность стабилизирующего резонатора. В то же время из анализа уравнения, связывающего изменения частоты колебаний выходного сигнала с изменениями добротности стабилизирующего резонатора и его резонансной частоты периодическими механическими нагружениями с частотой Fg , [2] следует, что с такой же частотой будет изменяться выходной сигнал, порождая паразитную частотную модуляцию. Причем, чем выше добротность опорного стабилизирующего резонатора, тем выше будут уходы частоты при равных условиях вибраций. Так как перестройка частоты опорных резонаторов осуществляется преимущественно бесконтактными поршнями, то модуляция добротности и резонансной частоты при вибрациях становится практически неизбежной, что и влечет за собой указанные выше нестабильности частоты и амплитуды колебаний автогенератора в целом.

Ill Искажающее действие на спектр излучения генераторов линии связи с нагрузкой при периодических механических нагружениях

Степень согласования генератора с нагрузкой должна быть достаточно высокой, КСВН должен быть порядка 1,3 или меньше. Более высокие значения КСВН приводят к ухудшению режима работы генератора. В частности, возрастает влияние фазы нагрузки на стабильность уровня выходной мощности генератора. В [3] приведено выражение для изменений мощности генератора от величины КСВН и фазы нагрузки Ψ .■

где ^0 – коэффициент, зависящий от конкретной

схемы генератора и определяемый экспериментально. На рис. 1 представлен характер изменения выходной мощности генератора от фазы нагрузки.

Рис. 1. Зависимость амплитудной модуляции СВЧ сигнала от фазового расстояния до нагрузки при различных значениях коэффициента стоячей волны.

Fig. 1. Microwave signal AM vs phase distance to the load at different values of SWR

Указанная зависимость является отражением того, что условия эксплуатации генератора могут явиться причиной ухудшения шумовых характеристик генератора. Так как линия связи генератора с нагрузкой представляет собой чаще всего сочетание отдельных отрезков волноводов и развязывающих устройств, связанных посредством фланцевых соединений, механические нагружения вызывают изменения как модуля коэффициента отражения, так и его фазы, что вызывает дополнительную амплитудную модуляцию выходного сигнала.

В силу амплитудно-частотной конверсии в генераторах Ганна [1], амплитудная модуляция вызывает частотную модуляцию. Степень проявления указанной паразитной модуляции зависит от вида АЧХ генератора, для ганновских генераторов, в частности, зависит ОТ вида частотной зависимости диода Ганна. Это означает, что необходимы поиски таких способов И технических решений по снижению шумов в генераторах, которые бы были адаптированы к реальным условиям эксплуатации.

Из трех ВОЗМОЖНЫХ способов включения стабилизирующего резонатора – «на отражение», «на проход» И ПО схеме полосно-отражающего фильтра [3] – предпочтительней оказалось последнее решение.

IV.              Конструирование генератора

На рис. 2 представлено одно из таких построений ДЛЯ 3-см генератора с сечением волновода 23×5 мм^.

Рис. 2. Общий вид (а) и конструкция (б) высокостабильного генераторного модуля сантиметрового диапазона:

1     -ДГ типа ЗА726А; 2 – фильтр нижних частот (с соотношением протяженности низкоомных и высокоомных участков линии соответственно

0,                     1 λο и 0,2 Ло); 3 – узел крепления полупроводникового диода [4]; 4 – опорный цилиндрический резонатор на волне типа Нои; 5 – настроечные штыри; 6 – согласованная балластная нагрузка.

Fig. 2. Appearance (а) and design (b) of high-stable oscillator module for cm-waveband: 1 – 3A 726A; 2 – low-pass filter; 3 – attachment point for semiconductor diode [4]; 4 – reference cylindrical cavity on the wave of H011 type; 5 – tuning posts; 6 – matched ballast load

Способ подключения стабилизирующего резонатора показан на рис. 3:

Рис. 3. Включение опорного резонатора в волноводную линию последовательно с волноводом.

Fig. 3. Reference cavity engaging into the waveguide section in series with the waveguide

Величина связи (размер щели) выбиралась из условия, удовлетворяющего трем требованиям: достаточно ВЫСОКОГО коэффициента стабилизации, допустимых потерь СВЧ сигнала на стабилизацию и устойчивости автоколебательного режима при вибрациях. В разработанной нами конструкции размер щели составлял 13×1 мм^при толщине стенки волновода В области отверстия связи порядка 1 мм.

Измеренный коэффициент стабилизации, как разница (по логарифмической шкале) в уровне боковых составляющих спектра при наличии стабилизирующего плеча И при отсутствии стабилизирующего плеча (последнее состояние достигалось перестройкой с ПОМОЩЬЮ КЗ-поршня (рис.2а) частоты генерации за пределы полосы захвата стабилизирующего резонатора) при подаче в цепь питания ДГ напряжения частотой 30 МГц (от генератора Г4-6) составил величину порядка 80 дБ.

7  Испытания двух генераторных модулей, в которых были предприняты все необходимые меры по обеспечению ВЫСОКОЙ фиксирующей способности, с различным уровнем ЧМ-шумов, измеренных в лабораторных условиях, как источников гетеродинного сигнала в составе приемной части доплеровской РЛС, продемонстрировали, казалось бы, невероятную вещь: гетеродин с уровнем ЧМ-шумов 70-75 дБ/Гц на отстройках 5кГц ОТ несущей обеспечивал более вьюокие показатели ПО чувствительности приемной части РЛС, чем гетеродин с показателями 80-84 дБ/Гц. Надо полагать, сказалось влияние интенсивной вибрации, вызванной электровентиляторами.

По-видимому, имеются возможности изменить ситуацию. Именно: все вариации добротности и резонансной частоты стабилизирующего резонатора, вызванные указанными дезорганизующими факторами, передаются в активный элемент – диод Ганна, вызывая модуляцию его полной проводимости И, следовательно, дополнительные флуктуации амплитуды и частоты ВЫХОДНЫХ СВЧ колебаний. Причем, степень проявления указанной паразитной модуляции зависит ОТ вида АЧХ активного контура автогенератора, содержащего ДИОД Ганна. Для того, чтобы минимизировать паразитную модуляцию амплитуды колебаний, следует синтезировать некую колебательную систему, которая бы обеспечивала широкополосную АЧХ. В [5] предложено такое решение, в основу которого положено параллельно-последовательное соединение ДИОДОВ Ганна с различающимися параметрами активных областей в одной электродинамической системе. Однако анализ такой системы, включающей также опорные стабилизирующие резонаторы, представляет собой отдельную задачу.

V.                                   Заключение

Усложненные условия эксплуатации, именно вибрации, предъявляют весьма специфические требования к величине добротности стабилизирующих опорных резонаторов – нагруженная добротность их не должна быть чрезмерно большой, поскольку достигаемые при ЭТОМ низкие уровни частотно- модулированных шумов генераторов в стационарных условиях трансформируются в аномально высокие на частотах механических возмущений в условиях реальной эксплуатации. Стремление иметь в составе полупроводникового автогенератора стабилизирующие резонаторы с высокой добротностью для получения излучения с низким уровнем ЧМ-шумов оправдано, по-видимому, лишь при использовании генераторов в лабораторных условиях.

[1]  ЦарапкинД. П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна,- М.: Радио и связь, 1982.-110 с.

[2]  Овчаренко Л. А. Анализ СВЧ автодинного измерительного преобразователя для контроля пленочных // Радиотехника (Харьков). – 1985. – Вып.73. -С. 126-131.

[3]  Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. – «Высшая шко- ла».- 1970.-421 с.

[4]  Патент Украти № 57222А. МКИ Н01 Р 1/18. Вузол κρίπ- лення нап1впров1дникового д1ода /1.1. Соколовський,

С.       В. Плакс1н, Л. М. Погорта та in., Бюл. № 6, опубл.16.06.2003

[5]  А. с. (СССР) 1337986 МКИ 4 НОЗВ 7/14 Генератор /

И. И. Соколовский, Г. С. Гоняев, В. Ф. Коломейцев,

В. И. Самойлов. Опубл. 15.08.87, Бюл. № 34.

FEATURES OF SEMICONDUCTOR HIGH-STABLE MICROWAVE GENERATORS DESIGN

Sokolovskiy I. I., Plaksin S. V., Pogorelaya L. M. Institute of Transport Systems and Technologies of Ukraine NAS «Transmag»

Pisargevskogo st., 5, Dnepropetrovsk, 49005, Ukraine тел.: +8(056) 3702182, e-mail: svp@westa-intercom

Abstract – Presented in this paper are the results of experimental research of highly stable SHF-generator designed using stabilizing (basic) resonator, based on band-reflecting filter circuit. It is shown that in order to prevent spectrum distortion at mechanical loadings (vibrations) it is necessary to compromise between Q-factor and the influence of specified disorganization factors.

I.                                       Introduction

At design of radio-wave control methods it is important to create high-stable oscillators on the basis of Guinn-diodes with low level of PM and AM signals, permanent frequency stability within temperature range and at complicated environment (periodical and random vibrations, voltage jumps and stops). Common stabilotron circuit with high-Q cylindrical resonator is highly efficient, provided the compromise between the power loss possible and stabilization factor. It should be noted that the higher is power in the active stabilization zone, the lower are capture and holding ranges, and that stabilization factor is directly proportional to the equalizing resonator Q. On the other hand, taking into account the environment conditions (punches, vibrations and other mechanical loads) it is necessary to compromise between the reference cavity Q and the measure of disorganizing factors (vibrations and feed voltage drift).

II.                                        Main Part

Correctly designed microwave oscillator, including reference cavity, should provide low modulation sensitivity. The higher is working Q of the reference cavity, the lower are frequency and power drifts. At the same time from analysis of [2] it follows that the output signal will be changing with the same frequency, causing frequency modulation. The higher is the reference cavity Q, the higher are frequency drifts at the equal vibration conditions. As long as frequency tuning for the reference cavities is mainly carried out using noncontact pistons, Q and resonance frequency modulation at vibrations is almost impossible, that causes the above mentioned frequency and amplitude fluctuations.

The oscillator should be highly matched with the load, VSWR should be 1,3 or lower. The higher VSWR leads to poor operation of the oscillator. In particular, the load phase influence on the output power level stability is increasing. By virtue of amplitude-frequency conversion in Gunn oscillators [1] amplitude modulation generates frequency modulation. The degree of the specified parasitic modulation depends on the kind of Gunn-oscillator AFC. The special design of the active circuit containing parallel-serial connection of several Gunn diodes with different active area lengths provides broadband AFC, and, hence low amplitude and frequency parasitic modulation.

The stabilization factor measured is approx. 80 dB.

After the tests, oscillator with FM-noise level 70-75 dB/Hz at 5-7 kHz drift from the carrier frequency has shown higher receiving sensitivity than oscillator with FM-noise level 80- 84 dB/Hz. Probably, intensive vibration caused by electric fans has affected.

III.                                       Conclusion

Complicated operating conditions, namely vibrations, make rather specific demands to reference cavities Q. The loaded Q should not be extremely high.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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