11 Конструкции и технические характеристики автогенераторов

Широкое применение автогенераторов на диодах Ганна (АДГ) в современной радиоэлектронике предопределяет большое разнообразие конструкций, которые повторяют в основных чертах конструкции генераторов на других активных элементах. Резонансная система формируется, как правило, на основе коаксиальной, волноводной или полосковой линии передачи.

11.1 Коаксиальная конструкция

Коаксиальная конструкция характеризуется простотой, наибольшим диапазоном механической и электрической перестройки, удобна при использовании частотной модуляции с помощью варикапа. Крепление диода в резонаторе показано на рисунке 20.

Диод 1 устанавливается обычно в разрыв центрального проводника коаксиальной линии 2 вблизи короткозамкнутой стенки, образующей теплоотвод.

Рисунок 20 – Крепление диода в резонаторе

Рисунок 21 – Конструкция резонатора с четвертьволновым трансформатором

Для связи с нагрузкой можно использовать связи любого типа: кондуктивную, индуктивную, ёмкостную, через дифракционное отверстие или четвертьволновый трансформатор. Настройка по частоте осуществляется с помощью передвижного короткозамыкающего поршня (широкодиапазонная настройка), либо перемещением четвертьволнового трансформатора 4, либо с помощью подстроечных элементов ёмкостного или индуктивного типа (узкодиапазонная настройка).

В конструкции с четвертьволновым трансформатором, показанным на рисунке 21, настройка осуществляется путём использования нескольких трансформаторных шайб различного диаметра, одна из которых обеспечивает оптимальную нагрузку диода и максимальную выходную мощность. Иногда используют несколько шайб различного диаметра, что позволяет при тщательном подборе их диаметра и расположения несколько увеличить КПД и выходную мощность путём настройки на вторую гармонику резонансной полости между соседними шайбами. Наличие напряжения второй гармоники на диоде приводит к увеличению его отрицательного сопротивления на основной частоте вследствие параметрических эффектов, возникающих при определённом фазовом соотношении между основной частотой и второй гармоникой, что и обуславливает увеличение выходной мощности и КПД АДГ.

11.2 Волноводная конструкция

Волноводные конструкции АДГ применяются как на сантиметровых, так и на миллиметровых волнах, причём в последнем случае они являются предпочтительными. На миллиметровых волнах, в отличие от сантиметровых, длина резонатора l обычно ближе к   4, а не к   2, что обусловлено изменением трансформирующих свойств корпуса диода 1. Для перестройки АДГ можно использовать бесконтактный плунжер 2 (рисунок 22),

Рисунок 22 – Конструкция волноводного АДГ

заканчивающийся шайбой 3 из поглощающего материала. ФНЧ 4 в цепи питания реализуется в виде набора коаксиальных отрезков длиной   4 с разными волновыми сопротивлениями или комбинации отрезков коаксиальных и радиальных линий. Наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве изоляции оксидных плёнок. Для устранения дополнительных паразитных резонансов узла крепления диода ФНЧ нередко снабжают поглощающей шайбой 5, либо выполняют ФНЧ в виде диска, образующего блокировочный конденсатор с широкой стенкой волновода. Подбор оптимальной связи с нагрузкой осуществляется трансформатором сопротивлений типа набора ёмкостных штырей 6 или индуктивной диафрагмы. Общим требованием здесь является обеспечение минимального расстояния между согласующим элементом и осью ДГ, так как в противном случае ''плановая'' колебательная система может утратить контроль над колебаниями.

11.3 Полосковая конструкция

Полосковые конструкции АДГ наиболее перспективны для применения в бортовой аппаратуре, так как они легче, меньше, дешевле и надежнее конструкций на объемных резонаторах. Мощность и КПД полоскового АДГ, как правило, несколько меньше величин, получаемых от того же диода в объёмных конструкциях, однако при тщательном подборе параметров полосковой схемы разница составляет не более 1дБ.

Возможные топологии (рисунки) колебательной системы весьма разнообразны. На рисунке 23 приведена топология варианта микрополоскового АДГ.

Рисунок 23 – Конструкция микрополоскового АДГ

Он состоит из активного диода 1 и металлизированной диэлектрической подложки 2 с нанесённой на ней проводящей схемой, которая устанавливается в металлическом корпусе. Корпус выполняется таким образом, чтобы внутренняя полость его, в которой устанавливается подложка, образовывала проводящий волновод. Для подавления волн высших типов в волновод вводится обычно несколько тонких винтов, насквозь пронизывающих подложку. Подложка накладывается на плоскую посеребренную поверхность корпуса и прикрепляется

к нему болтами или винтами. Соединение СВЧ разъёмов и подводящих линий осуществляется пайкой между ними золочёной медной полоски. Также выполняются соединения между отдельными линиями на стыке подложек, между диодом и линией и т.п.

Диод 1 включён между основанием и полосковым проводником. Для стабилизации частоты используется высокодобротный диэлектрический резонатор 3 в виде диска из диэлектрика с малыми потерями и высоким значением диэлектрической проницаемости  (например, из титаната бария), расположенного вблизи полоскового проводника микрополосковой линии шириной W. Конденсатор 4 служит для разделения цепей питания и СВЧ тракта. Напряжение питания подается через дроссельную цепь 5, состоящую из двух четвертьволновых отрезков микрополосковой линии с различными волновыми сопротивлениями, причём линия с малым сопротивлением разомкнута. Использование диэлектрических резонаторов с положительным температурным коэффициентом частоты позволяет создать генераторы с малыми уходами частоты при изменении температуры ( 40кГц  С).

Микрополосковые конструкции обычно используются на частотах не выше 30ГГц.

12 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВАРИКАПОВ ДЛЯ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ

Электрическая перестройка частоты АДГ варикапом обеспечивает максимальную скорость перестройки при минимальных габаритах и массе. Дополнительным достоинством данного метода является незначительная мощность, потребляемая цепью управления. Поэтому он широко применяется в современной аппаратуре.

Термином варикап принято называть полупроводниковый прибор, использующий нелинейность вольт - фарадной характеристики запертого p-n- перехода для перестройки частоты генераторов.

Перестройка частоты варикапом основана на изменении резонансной частоты колебательной системы генератора при изменении смещения U_в на варикапе.

С уществует полное и частотное включение варикапа в контур генератора, что эквивалентно включению дополнительной управляемой ёмкости С_в (U) и сопротивления потерь варикапа R _в.

При полном включении варикап помещается непосредственно в контур генератора (рисунок 24, а) (последовательно или параллельно диоду); при частичном включении он связан с контуром генератора с помощью трансформатора связи (рисунок 24, б), либо специального элемента связи.

а) б)

а – полное включение, б – частичное включение

Рисунок 24 – Схема включения варикапа в контур АДГ

При полном включении варикапа можно получить максимальную девиацию частоты, однако потери в контуре при этом сильно увеличиваются из-за сопротивления потерь варикапа, что приводит к значительному уменьшению контурного КПД и выходной мощности генератора. Полное включение позволяет осуществить девиацию частоты 20 – 40% при изменении выходной мощности не более чем на 3дБ.

При частичном включении девиация частоты и вносимые потери зависят от степени связи варикапа с резонатором. В этом случае в сантиметровом диапазоне возможно получение девиации частоты 1 – 5 % при потерях мощности 0,5 – 0,8дБ.