Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

10 100 1000

Qa

п—3

Рис. 8.10. Графики зависимости потерь при умножении частоты от добротно-1 сти диода:

где ® — частота подводимого к диоду колебания; Спер д — величина постоянной составляющей емкости в исходной рабочей точке; Аме д — сопротивление потерь диода.

Параметр а на рис. 8.10 представляет собой отношение амплиту­ ды переменного напряжения, подводимого к диоду, U к величине напряжения постоянного смещения Uo (а = U/Uo). Исходное на­ пряжение смещения, подаваемое на диод, и амплитуду переменного напряжения, подводимого к нему, устанавливают таким образом,

352

чтобы полностью реализовать возможности диода. Напряжение

ние диода). Амплитуду переменного напряжения входного сигнала U выбирают приблизительно равной Uo. Подводимая к диоду реак­ тивная мощность равна

Для эффективного генерирования гармоник добротности диодов должны быть высокими. Для этого следует выбирать диоды с малой постоянной времени тд = Спер дгпос д. Для многократного умноже­ ния исходной частоты генератора лучше включать несколько каска­ дов умножения. В некоторых случаях между цепочками умножи­ телей следует вводить усилители напряжения для реализации вели­ чины а = 0,8...0,95 в каждом каскаде.

Пример 8.2. Рассчитать умножитель частоты.

Исходные данные: частота входного сигнала Д. Нужно полу­ чить 12-ю гармонику (п — 12).

По графикам рис. 8.10 находим величину потерь мощности при умножении частоты для различных комбинаций коэффициентов ум­ ножения и подсчитываем суммарные потери умножителя (табл. 8.1). Из расчетов следует, что потери будут минимальными, если частоту сигнала умножить на 4, а затем на 3, т. е. такой вариант умножения на 12 оказывается предпочтительным.

8.4. ГЕТЕРОДИНЫ ПРИЕМНИКОВ САНТИМЕТРОВЫХ И МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН

Основные характеристики

Гетеродины сантиметровых и миллиметровых волн во многих применениях должны обеспечивать генерацию не на одной опреде­ ленной, фиксированной частоте, а в некоторой полосе рабочих частот.

При этом часто требуется, чтобы перестройка частоты во всей рабо­ чей полосе или ее части осуществлялась не механическим путем, а электрическим, безынерционно. Это относится, в частности, к при­ емникам некогерентных РЛС, где система АПЧ следит за всеми из­ менениями частоты передатчика и управляет частотой гетеродина, к приемникам систем радиопротиводействия и др. К параметрам, определяющим основные свойства гетеродинов, относятся:

центах относительно средней частоты в виде Д/дг//г0. Этот диапазон частот должен соответствовать заданному диапазону частот сигнала ft mtn-'-fc max> отличаясь от него на величину промежуточной часто­ ты;

—выходная мощность Рг вых в диапазоне частот Д/дг, которая должна быть не меньше суммарной мощности Рг2, необходимой для питания всех СВЧ смесителей приемника;

—диапазон быстрой электрической перестройки частоты АД,Л, который может быть равен или меньше рабочего диапазона Д/дг;

—крутизна электрической перестройки частоты SgjI —

(МГц/Bl, где At/— изменение управляющего напряжения;

— нестабильность частоты и мощности при воздействии деста­ билизирующих факторов: изменений температуры окружающей среды /0Кр, питающих напряжений и др. Сюда относится, например, температурный коэффициент частоты ТКЧ — Af/At0Kp [МГц/°С1;

— уровень шума на различных частотах по обе стороны от часто­ ты несущего колебания /г, т. е. уровень генерируемого шума при различных промежуточных частотах.

Шум гетеродина обусловлен флюктуациями его частоты и мощ­ ности и сопровождает основное гармоническое колебание /г в виде сплошного спектра, располагающегося по обе стороны от /г, подобно изображенному на рис. 7.20. Этот шум можно представить в виде совокупности двух спектров: спектра амплитудного шума, обуслов­ ленного амплитудной модуляцией колебаний (флюктуациями ам­ плитуды), и спектра частотного шума, обусловленного частотной модуляцией колебаний (флюктуациями частоты).

Количественные характеристики амплитудного шума уже рас­ сматривались в § 7.6 (см. формулу (7.33)). Относительная спектраль­ ная плотность мощности амплитудного шума [дБ/Гц] равна

та = 10 lg (Рша/^г вых) = 10 lgnro — 174,

где Рш а — суммарная спектральная плотность мощности (в поло­ се 1 Гц) двух симметричных боковых составляющих спектра флюк­ туирующих по амплитуде автоколебаний гетеродина; пг0 — удель­ ное шумовое отношение гетеродина (см. § 7.6), причем боковые со­ ставляющие и пг0 рассматривают на частоте модуляции, равной час­ тоте сдвига /сдв относительно частоты несущей /г. Спектр частотного шума обычно характеризуют зависимостью спектральной плот­ ности среднего квадрата флюктуаций частоты АД от модулирующей

354

ния, весьма малыми габаритами и массой, большой долговечностью и наиболее удобны для создания СВЧ ИС. Из всех разновидностей полупроводниковых гетеродинов 15] наибольшее развитие в рас­ сматриваемых диапазонах получили так называемые генераторы на диодах Ганна и на лавинно-пролетных диодах.

Отражательные клистроны

Основными элементами клистрона являются (рис. 8.11): катод с фокусирующим электродом, формирующие электронный луч; ре­ зонатор с узким зазором, содержащим обычно сетки, в котором взаимодействуют электроны луча с СВЧ полем резонатора, и элект­ род отражателя с отрицательным потенциалом относительно катода, заставляющий электроны луча возвращаться в зазор резонатора.

Рис. 8.11. Отражательный клистрон сантиметрового диапазона волн:

а — устройство и схема питания; б — общий вид; J — окно связи; 2 — присоединительный фланец; 3 — вннт механической перестройки частоты; 4 —внешний резонатор; 5— герме' тизироваиное окно связи; 6 — внутренний резонатор; 7 — отражатель; 8— катод; 9 — фо­

кусирующий электрод; 10 — сетки резонатора; Яф, Сф — элементы фильтров в цепи пи­ тания.

Частота fr и мощность PF вых генерируемых клистроном колеба­ ний зависят от напряжения на отражателе (/отр. При некотором на­ пряжении Потр опт, называемом оптимальным, выходная мощность достигает максимальной величины Рг вых тах. При изменении на­ пряжения отражателя в обе стороны от оптимального Рг вых плав­ но уменьшается до нуля с одновременным изменением частоты гене­ рации /г. Область напряжений (70тр, в которой имеется генерация, называют зоной генерации, а изменение fF при изменении (70тр — электронной настройкой частоты.

Практически для работы используют не всю зону, а только ту ее часть, в пределах которой PF вых > 0,5Рг Выхтах> т. е. изменение вых при этом составляет 3 дБ. Соответствующую этой части

Отражательные клистроны имеют достаточно большой диапазон механической перестройки частоты = 3...15% и относитель-

356

Таблица 8.2

и наибольшие Д,1Л соответствуют миллиметровым волнам, противо­ положные значения этих величин — длинноволновой части санти­ метрового диапазона. Предельные значения параметров некоторых отражательных клистронов приведены в табл. 8.2 [5].

В настоящее время используют новый тип отражательного кли­ строна — так называемый минитрон, представляющий собой сверх­ миниатюрный низковольтный экономичный клистрон, как правило, без механической перестройки частоты, но с расширенным диапазо­ ном электронной настройки (порядка 100 МГц и более на сантимет­ ровых волнах). Напряжения 7/рез и i70TD лежат в пределах от не­ скольких десятков вольт до величины порядка 100 В.Минитроны пригодны для использования в СВЧ ИС.

Клистрон относится к числу наименее шумящих гетеродинов. На сантиметровых волнах шумовые характеристики клистронов в центре зоны генерации следующие. Для амплитудного шума на частотах сдвига (относительно частоты /г) /сдв « 100 Гц; 3; 30 кГц и 10... 100 МГц относительная спектральная плотность мощности та соответственно равна—(130...140); —(135...160); —(150...170) и (165...175) дБ/Гц. Для частотного шума на частотах /сдв = 100 Гц, 3 и 30 кГц спектральная плотность среднего квадрата флюктуаций

частоты соответственно равна Д/щ = 0,3...10, 0,2.,.1,5 и 0,1...0,3 Гц2/Гц.

С укорочением длины волны шум также возрастает, причем осо­ бенно значительно на миллиметровых волнах. Например, в 8-мил­ лиметровом диапазоне волн на частотах /сдв = 30...60 МГц уровень амплитудного шума клистрона на 10...20 дБ выше, чем в 3-санти­ метровом диапазоне волн.

Отражательные клистроны обычно требуют для питания резона­ тора и отражателя относительно высоковольтных стабилизирован-

357

них источников питания, особенно на миллиметровых волнах: по цепи резонатора 250.,,350 В при токе 40...50 мА на сантиметровых волнах и500...2000В притоке 15...25 мА на миллиметровых волнах; по цепи отражателя (электронной настройки частоты) 100...350 В практически без потребления тока. Нестабильность напряжений (/отр и ДфОк должна быть не более 0,1%. Требования к стабильности напряжений возрастают с укорочением длины волны, поскольку увеличивается влияние изменений напряжений на генерируемую частоту.

Лампы обратной волны

Маломощные ЛОВ во многих случаях, особенно на милллиметровых волнах, являются самыми широкодиапазонными гетеродинами с чисто электрической перестройкой частоты. У ЛОВ рабочий диа­ пазон частот равен диапазону электрической перестройки А/дг == = А/эл.

Рис. 8.12. Схема устройства ЛОВ с магнитной (а) и периодической электро­ статической (б) фокусировкой:

/ — фокусирующий электрод: 2 —анод; 3 — замедляющая система; 4 —постоянный маг­ нит; 5 — согласованная нагрузка; 6 — коллектор; 7 — воляовоДный вывод энергии.

Принцип действия ЛОВ (рис. 8.12) основан на передаче энергии электронного луча электромагнитной волне, возбуждаемой в области нагрузки 5 и распространяющейся вдоль замедляющей системы на­ встречу движению электронов луча. По способу фокусировки элект­ ронного пучка различают ЛОВ с магнитной (ЛОВ-МФ) и электро­ статической (ЛОВ-ЭФ) фокусировками. Важным преимуществом ЛОВ-ЭФ перед ЛОВ-МФ являются значительно меньшие габариты и масса (рис. 8.13). Масса ЛОВ-ЭФ — 300...600 г, а ЛОВ-МФ — 3...5 кг.

Частота/г генерируемых ЛОВ колебаний зависит от напряжения на замедляющей системе, называемого поэтому управляющим (t/ynp). Изменяя это напряжение в широких пределах, получают широкодиапазонную электрическую перестройку частоты.

Диапазон электрической перестройки частоты ЛОВ составляет А/эл//го = 20...60%. В пределах диапазона перестройки Д/эл на­ блюдаются значительные перепады генерируемой мощности, дости­ гающие величины Рг ВЫ1 mazZ/’r вых min = 5.,,10 дБ. Минимальная

358

выходная мощность ЛОВ в диапазоне перестройки Рг пых min со­ ставляет от 5—10 мВт на коротких миллиметровых волнах до десят­ ков и сотен милливатт на сантиметровых. Крутизна электрической перестройки Sajl находится в пределах от единиц до десятков мега-

Рис. 8.13. Общий вид ЛОВ сантиметровых волн с магнитной (а) и электро­ статической (б) фокусировкой.

герц на вольт. ЛОВ имеет приблизительно такой же уровень ампли­ тудного шума, как и в отражательных клистронах соответствующе­ го диапазона волн, а уровень частотного шума несколько выше, чем у клистронов. ТКЧ ЛОВ приблизительно равен величине ТКЧ от­ ражательных клистронов того же диапазона волн. Предельные пара­ метры гетеродинных ЛОВ приведены в табл. 8.3.

Источники питания ЛОВ подобны источникам питания клистро­ нов. В отличие от последних напряжение управления частотой в ЛОВ является более высоковольтным, чем в клистронах, изменяет­ ся в более широких пределах и, что особенно существенно, ток по­ требления по этой цепи довольно значителен и составляет 20—50 мА,

Генераторы на диодах Ганна

Генераторы на диодах Ганна (ГДГ) представляют собой новейший тип полупроводниковых генераторов СВЧ, разработка и практиче­ ское применение которых находятся еще в стадии развития. Актив-

359

ным элементом ГДГ является диод Ганна (ДГ), работа которого основана на использовании объемного эффекта в полупроводнике, т. е. процессов, происходящих во всем объеме полупроводника, а не в каком-либо его узком слое, В отличие от других типов СВЧ диодов структура ДГ не содержит р — «-перехода и представляет собой тонкую пластинку полупроводника (обычно из GaAs «-типа), на обе поверхности которой нанесены невыпрямляющие металлические контакты. В диодах Ганна энергия постоянного тока непосредствен­ но преобразуется в СВЧ энергию при приложении к ним постоян­ ного напряжения, большего некоторой пороговой величины t/nopr.

Известен ряд режимов, в которых могут работать ДГ. Режим ра­ боты зависит от параметров схемы, внешней по отношению к диоду, и от электрофизических параметров диода. Физическая сущность этих режимов работы и области их применения описаны в [7,8], В так называемом режиме устойчивого отрицательного сопротивле­ ния и некоторых других режимах работы ДГ на зажимах диода при определенном напряжении питания Ur>Unopr возникает отри­ цательное сопротивление, являющееся источником СВЧ коле­ баний.

Исследование импеданса ДГ в таких режимах показывает, что полупроводниковый элемент диода в СВЧ диапазоне представляет собой отрицательное сопротивление — Rr, зашунтированное неко­ торой эквивалентной сосредоточенной емкостью Сг- В режиме устой­ чивого отрицательного сопротивления последнее весьма широко­ полосно, т. е. существует в широком интервале частот, и имеет ве­ личину от нескольких десятков до нескольких сотен ом. Емкость Сг составляет десятые доли пикофарады.

ДГ выпускают обычно в герметичных корпусах, подобных изо­ браженному на рис. 4.35 (вариант I), однако они могут быть и бескорпусными. Эквивалентная схема корпусного ДГ имеет такой же вид, как у ряда других СВЧ диодов (например, смесительных), с тем отличием, что содержит отрицательное сопротивление — 7?г вместо положительного сопротивления барьера р — «-перехода.

В генераторах на диодах Ганна коаксиально-волноводной кон­ струкции используют как механическую (рис. 8.14), так и электри­ ческую перестройку частоты, в полосковых и микрополосковых — только электрическую. Наиболее распространенным методом такой перестройки является включение варактора в колебательную систе­ му генератора. При этом габариты генератора увеличиваются не­ значительно, а управление частотой, как и в отражательных клист­ ронах, происходит практически без потребления мощности.

Варактор представляет собой диод с нелинейной емкостью, подобный параметрическому (см. § 5.4, рис. 5.26), но первый обычно имеет большее напряжение пробоя (до нескольких десятков вольт) и выдерживает большую СВЧ мощность. Конструкции и эквива­ лентные схемы этих диодов аналогичны. Параметрические диоды тоже нередко используют в качестве варакторов для электрической перестройки ГДГ.

360

Варактор включают в состав генератора как регулируемую ем­ кость, величина которой изменяется при изменении обычно отрица­ тельного смещения U0B на нем. Таким образом изменяют резонанс­ ную частоту колебательной системы и осуществляют электрическую перестройку частоты генератора. Достоинством такого метода пере­ стройки является практически полное отсутствие потребления тока по цепи управления частотой.

В схему генератора варактор можно включить параллельно или последовательно с ДГ (рис. 8.15). Колебательная система ГДГ вклю­ чает в себя все реактивные элементы ДГ (Лдосг, Сг, СКОнг) и

а

Рис. 8.14. Пример волноводно-коаксиальной конструкции полупроводникового генератора сантиметрового диапазона воли на ДГ или ЛПД:

а — продольное сечение; б — общий вид; 1 — волноводный вывод СВЧ энергии с согла­

СВЧ дроссель; 8 — вывод диода для подачи напряжения питания Ьо.

варактора (£посв, Сперв), а также настроечно-согласующую секцию, состоящую из отрезка / выходной линии и разомкнутого параллель­ ного шлейфа длиной /шл. Цепи СВЧ от цепей постоянного тока раз­ вязывают режекторные фильтры РФ.

Метод исходной настройки генератора на средней частоте /г0 и при соответствующем ей некотором среднем напряжении на варак­ торе ЦОв ср основан на следующем. В режиме установившихся коле­ баний генератора его выходное сопротивление в точках а — а долж­ но быть активным, отрицательным и равным по модулю сопротивле­ нию нагрузки Отсюда становится очевидным, что настраи­ вать и согласовывать ГДГ нужно так же, как и смесительную сек­ цию (рис. 7.15, а), описанную в § 7.6. Расстояние I от варактора до шлейфа нужно выбрать таким, при котором модуль активной состав-

361