Генератор нвч з електричним перестроюванням частоти

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, может быть использовано в твердотельных генераторах СВЧ и обеспечивает повышение стабильности и чистоты спектра генерируемых колебаний задающих генераторов гетеродинов различных радиотехнических устройств. Известный СВЧ генератор [1, с. 101] содержит генераторный и управляющий частотой (настроечный) диоды, СВЧ колебательную систему, фильтр нижних частот (ФНЧ), источник питания и источник управляющего напряжения. Недостатками данного устройства являются искажения спектра сигнала (многочастотность) в результате автомодуляции СВЧ колебаний низкочастотными осцилляциями, возникающими в цепи питания генераторного диода, широкий шумовой спектр формируемого сигнала, имеющий вид протяженных крыльев, примыкающих к основному колебанию, и обусловленных мультипликативным воздействием фликкерных шумов генераторного диода, низкая долговременная стабильность параметров генерируемых колебаний. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому устройству является СВЧ генератор [2, с. 92], содержащий генераторный и настроечный диоды, СВЧ-колебательную систему, ФНЧ, цепь подавления паразитных колебаний, источник питания генераторного диода, источник управляющего напряжения, причем источник управляющего напряжения соединен с настроечным диодом, размещенным в СВЧ колебательной системе, а вход ФНЧ и вы ход источника питания генераторного диода подключен ко входу цепи подавления паразитных колебаний. Однако, в рассматриваемом устройстве не приняты меры к повышению долговременной стабильности частоты колебаний и снижению мультипликативного воздействия низкочастотных шумов фликкерного характера на параметры автоколебаний. В основу изобретения поставлена задача создания генератора СВЧ с электрической перестройкой частоты, в котором введением режекторного фильтра, стабилизатора тока и схемы температурной стабилизации обеспечивается снижение мультипликативного воздействия фликкерных шумов генераторного диода и тем самым сужение шумового спектра формируемого сигнала, а также стабилизация режима работы генераторного и настроечного диодов, за счет чего достигается повышение чистоты спектра и долговременной стабильности генерируемых колебаний. Поставленная задача решается таким образом, что в генератор СВЧ с электрической перестройкой частоты, содержащий колебательную систему, включающую генераторный и настроечный диоды, источник питания, устройство подавления паразитных колебаний, источник управляющего напряжения и фильтр нижних частот, вход которого соединен со входом устройства подавления паразитных колебаний, а выход - с выводом генераторного диода, дополнительно введены стабилизатор тока генераторного диода, режекторный фильтр и схема температурной стабилизации, причем, вход стабилизатора тока соединен с выходом источника питания, а выход -со входами фильтра нижних частот и устройства подавления паразитных колебаний, вход режекторного фильтра подключен к выходу фильтра нижних частот и выводу генераторного диода, а схема температурной стабилизации включена между источником управляющего напряжения и настроечным диодом. На фиг. 1 приведена блок-схема генератора СВЧ с электрической перестройкой частоты. Предлагаемый генератор СВЧ содержит генераторный диод 1, настроечный диод 2, СВЧ колебательную систему 3, режекторный фильтр 4, фильтр нижних частот 5, устройство подавления паразитных колебаний 6, стабилизатор тока 7, источник питания 8, схему температурной стабилизации 9, источник управляющего напряжения 10. Генераторный диод 1 и настроечный диод 2 включены в колебательную систему 3. Генераторный диод 1, фильтр нижних частот 5, стабилизатор тока 7 и источник питания 8 соединены последовательно. Вход режекторного фильтра 4 подключен к выводу генераторного диода 1 и выходу фильтра нижних частот 5. Вход устройства подавления паразитных колебаний 6 связан со входом фильтра нижних частот 5 и выходом стабилизатора тока 7. Схема температурной стабилизации 9 включена между настроечным диодом 2 и источником управляющего напряжения 10. Генератор СВЧ с электрической перестройкой частоты работает следующим образом. При подаче на генераторный диод 1, установленный в колебательной системе 3, напряжения питания Uo, превышающее пороговое значение Un, возникают СВЧ колебания благодаря наличию у генераторного диода 1 отрицательного дифференциального сопротивления. Перестройка частоты колебаний генератора осуществляется с помощью настроечного диода 2, включенного в колебательную систему 3, при изменении напряжения источника управляющего напряжения 10. Низкочастотные паразитные колебания в цепи питания генераторного диода 1 устраняются устройством подавления паразитных колебаний 6, например, путем шунтирования цепи питания последовательной RC цепью, снижающей добротность паразитного контура, образованного емкостями фильтра нижних частот 5 и индуктивностью проводника, подключающего генераторный диод 1 к источнику питания 8. Повышение чистоты спектра формируемых колебаний достигается за счет режекторной фильтрации фликкерных шумов генераторного диода 1 с помощью режекторного фильтра 4. На фиг. 2 показана эквивалентная схема автогенератора на диоде Ганна (АДГ) в рамках одночастотного приближения [2, с. 42]. Наиболее интенсивные составляющие флуктуации АДГ обусловлены мультипликативным воздействием фликкерных шумов. Источник фликкер-шума может быть отождествлен генератором тока іфл и показан на фиг. 3 пунктиром. Нагрузкой для шума является параллельное соединение двух проводимостей gдг и bдг WСдг. Причем проводимость bдг для тока низкочастотного шума достаточно мало (при Сдг=0,35-0,4 пФ. на частоте 5 кГц bдг составляет 5×10-7 см). Проводимость gдг=1/(5+10)Ro; Ro=3+20 Ом [2, с. 41]. Подключение параллельно диоду Ганна режекторного фильтра с частотой режекции в области фликкер-шума эквивалентно включению проводимости gрф, значение которой обратно пропорционально активным потерям в фильтре. На частоте режекции проводимость gрф возрастает, и оказывает шун тирующее действие на фликкерный шум. Интенсивность частотных флуктуации оценивается либо отношением мощности шума Рш, приходящегося на полосу шириной 1 Гц на частоте отстройки (анализа), сдвинутой на ±F от несущей, к полной мощности колебания Рс, либо средним квадратическим отклонением sf в единичной полосе. При использовании децибельной шкалы для задания отношения сигнал/шум эти два способа оценки связаны соотношением (Pш/Pc=10lg(sf/F)2=20lg(sf/F). Типичное значение sf для АДГ волноводной конструкции на частоте отстройки 5 кГц при ненагруженной добротности q=100 составляет 1,5 Гц/ Гц, что соответствует Рш/Рс=9×10-8 1/Гц или » -70 дБ/Гц. Мощность шума, создаваемого шумовым током іфл на частоте 5 кГц в полосе 1 Гц равна Рш(5 кГц)=Iш2(5кГц)/gдг. При использовании режекторного фильтра Рш'(5кГц) =Іш2(5кГц)/gдг+gрф ~ іш2(5кГц)/gрф. Если gдр=0,01 См; gрф=0,1 См, то интенсивность частотных флуктуации при отстройке на 5кГц уменьшится на 10дБ и составит 80 дБ/Гц. Стабилизация постоянной составляющей тока генераторного диода 1, достигается включением стабилизатора тока 7, и приводит к повышению чистоты спектра формируемых колебаний. В основе эффекта лежит зависимость отрицательного сопротивления (отрицательной проводимости) генераторных диодов от постоянной составляющей тока rg(lo) или gg(lo) [1, с.21] (фиг. 3). Поэтому флуктуации постоянной составляющей тока приводят к флуктуациям отрицательной проводимости, через которые, обычно, и учитывают флуктуации частоты колебаний диодного генератора. Например, спектральная плотность флуктуации отрицательной проводимости лавинно-пролетного диода определяется выражением (1.3) Gbg(W)=Аі флW-П+GIл(W), где W - частота шумовой модуляции; g ~ 1; Аіфл - спектральная плотность фликкерных флуктуации тока на частоте W=1 рад/с; Gіл(W) - спектральная плотность флуктуации тока лавины. Использование стабилизатора тока позволяет на несколько порядков снизить значение Аіфл [З, с. 141], что приведет к уменьшению Gвg(W) и повышению чистоты спектра генерируемых колебаний. Схема температурной стабилизации 9 обуславливает изменение управляющего напряжения, подаваемого на настроечный диод 2, в зависимости от изменения температурного режима работы генератора. В качестве иллюстрации на фиг. 4 представлен возможный вариант схемы температурной стабилизации, где Ra и Rв - элементы термозависимого делителя управляющего напряжения, VD1 настроечный диод 2. Типичный температурный коэффициент частоты (ТКЧ) диодного генератора 3-х сантиметрового диапазона составляет - 2,5 МГц/град. За счет использования термозависимого управляющего напряжения можно добиться уменьшения исходного ТКЧ. Емкость настроечного диода (например варикапа) определяется выражением Св=Сво f/(f+Uв), где f - контактная разность потенциалов; Uв - управляющее напряжение; Сво - емкость настроечного диода при нулевом смещении. Изменение частоты генератора при изменении емкости колебательной системы на DC (при неизменной индуктивности колебательной системы) определяется, как известно, выражением где f - номинальное значение частоты, С - полная емкость колебательной системы. Расчеты показывают, что при использовании в качестве резистора Ra сопротивления с положительным температурным коэффициентом (ТКС), составляющим 0,5%/град, а в качестве резистора Rв - сопротивления с отрицательным температурным коэффициентом 2,2%/град, можно добиться снижения ТКЧ генератора до 0,5 МГц/град. Расчеты проводились при следующи х исходных данных Ra=5KOM; Rb=7,5кOM; Сво=0,5 пФ; С=2пФ; f=10ГГц; f=0,7 В; Uв=5 В. При соответствующем подборе резисторов Ra и Rв можно получить более низкое значение исходного ТКЧ генератоpa. Подбор резисторов термозависимого делителя должен производиться индивидуально для каждого конкретного диода ввиду разброса температурных характеристик генераторных приборов. Схема заявляемого генератора СВЧ в известных источниках не обнаружена, что позволяет считать ее новой. Каждый из введенных новых блоков (режекторный фильтр 4, стабилизатор тока 7, схема температурной стабилизации 9) соответствуют понятию существенный признак, так как каждый в отдельности и все вместе влияют на те хнический результат. Взятые в данной совокупности при наличии описанных связей между собой и известными блоками схемы заявляемого генератора, они обеспечивают повышение долговременной стабильности и чистоты спектра генерируемых колебаний, что подтверждается результатами эксперимента, приведенными на фиг. 5 и 6. На фиг. 5а показан исходный спектр колебаний, а на фиг. 5б - с включенным режекторным фильтром. При этом достигается подавление фликкерных шумов при удалении от несущей на 5кГц до 10дБ. Фиг. 6а и 6б показывают, что включение стабилизатора тока генераторного диода 1 позволяет заметно уменьшить модуляционное воздействие низкочастотных флуктуации в цепи питания на параметры формируемых колебаний. Конкретное выполнение предложенного генератора может быть решено следующим образом. В качестве генераторного диода 1 может быть использован диод Ганна или лавинно-пролетный диод. Колебательная система 3 может представлять собой либо полый волновод, либо микрополосковую конструкцию. В качестве настроечного диода 2 может быть использован варактор (варикап) соответствующего диапазона, или (для генератора на лавинно-пролетном диоде) такой же генераторный диод, при управляющих напряжениях, меньших порогового. Режекторный фильтр 4 может быть реализован в виде последовательного LC колебательного контура с резонансной частотой в области фликкерных шумов, включенного параллельно генераторному диоду 1. Устройство подавления паразитных колебаний 6 представляет собой последовательную RC цепь. Роль фильтра низких частот 5 может выполнять провод питания с фильтрующим конденсатором, либо конструктивный четвертьволновый дроссель. Стабилизатор тока 7 может быть собран на низкочастотных транзисторах средней мощности. В качестве источника питания 8 для диодов Ганна используются низковольтные генераторы напряжения, а для лавинно-пролетных диодов - генераторы тока с относительно высокой ЭДС источника напряжения. Источник управляющего напряжения может быть представлен как управляемый резистивный делитель, подключенный к высокостабильному источнику постоянного напряжения. Схема термостабилизации может представлять собой термозависимый резистивный делитель управляющего напряжения (фиг. 4). В качестве резистора Ra можно использовать сопротивление между базами Б1 и Б2 (эмиттер остается свободным) одно-переходного транзистора, например КТ117. Промежуток между базами Б1 и Б2 представляет собой сопротивление с положительным температурным коэффициентом (4). В качестве резистора Rв делителя можно применить полупроводниковый терморезистор КМТ-12, обладающий отрицательным ТКС (5,6).