10.4.3 Элементы системы апч

В состав АПЧ входят ЧД, управляющие элементы, фильтры, усилители, которые в основном Вами были изучены ранее. Поэтому более подробно остановимся на управляющих элементах подстройки частоты гетеродина.

Все управляющие элементы можно подразделить:

– на электронные;

– электромеханические.

Электронные управляющие элементы отличаются безинерционностью, малым потреблением мощности от источника регулирующего напряжения, но обычно они не позволяют перестраивать гетеродин в широких пределах.

Для гетеродинов с отдельными колебательными системами основными видами управляющих элементов являются варикапы (варакторы) и реактивные транзисторы.

Варикап - полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении на p-n-переходе. Емкость варикапа изменяется в соответствии с приведенной ниже формулой:

(10.25)

где С_к(0) - емкость p-n-перехода при U=0, - модуль напряжения на p-n-переходе, _к - контактная разность потенциалов (для кремния - 0,8 В).

График изменения емкости р-n-перехода от приложенного напряжения представлен на рисунке 10.27.

С _в

U

U_max U_min

Рис. 10.27 График изменения емкости р-n-перехода от приложенного напряжения

Пределы изменения емкости ограничены пробоем p-n-перехода (U_max) и выход на участок прямого детектирования с увеличением шунтирующего действия варикапа на перестраиваемый контур (U_min).

Добротность варикапа зависит от частоты. На низких частотах она определяется активным сопротивлением p-n-переехода ( , в данном случае большое сопротивление p-n-перехода подключается параллельно емкости контура), на высоких – объемным сопротивлением потерь полупроводника r_s, которое подключается на эквивалентной схеме последовательно емкости p-n-перехода ( ).

Имеется частота, на которой добротность варикапа максимальна Q_max. Значение Q_max может достигать несколько тысяч на частотах порядка единиц мегагерц и падает до нескольких десятков на частотах порядка 100 МГц.

Ч тобы снизить влияние детекторного эффекта рекомендуется включать в цепь варикапа омические фильтры с большим сопротивлением. Кроме того, целесообразно применять встречное включение двух варикапов, как это показано на рисунке 10.28. При таком включении снижается нелинейность контура, перестраиваемого варикапом.

Рис. 10.28 Эквивалентная электрическая схема

В качестве переменных емкостей могут использоваться обычные диоды при обратном смещении, а также емкости p-n-переходов транзисторов.

Управляющими элементами могут быть также реактивные транзисторы или реактивные лампы. Благодаря особой схеме включения в них создается отличный от нуля (или 180⁰) фазовый сдвиг между током и напряжением. В качестве реактивных элементов могут служить активные приборы с большим внутренним сопротивлением. Реактивное сопротивление таких устройств поддается регулированию от внешних управляющих напряжений.

Схема реактивного полевого транзистора приведена на рисунке 10.29.

а

б

Рис. 10.29 Схема реактивного полевого транзистора

Если выполняется условие, что , тогда проводимость приведенной выше схемы между точками a и б определяется следующей формулой:

(10.26)

где S - крутизна активного элемента в рабочей точке.

Ниже приводится таблица, из которой можно определить при каких значениях Z₁ и Z₂ получается та или иная реактивность.

Таблица 10.1

Значение сопротивления
Z1	R1	C1	R1	L1
Z2	C2	R2	L2	R2
Yab	Инд.	Емк.	Емк.	Инд.

Реактивный транзистор подключается параллельно контуру гетеродина полностью или частично в зависимости от требуемого перекрытия по частоте и допустимого шунтирования контура проводимостью реактивного транзистора.

Электромеханические управляющие устройства отличаются значительной инерционностью, но позволяют получить автоподстройку в широком диапазоне частот. В этих системах в качестве исполнительного механизма обычно используется электродвигатель с редуктором, перемещающий ротор переменного конденсатора или вариометра, подстроечный плунжер объемного резонатора.

Электродвигатель является интегрирующим звеном системы АПЧ и в принципе придает ей астатические свойства, т.е. возможность сведения остаточной ошибки регулирования до нуля. Практически этому препятствует неизбежное влияние трения в подшипниках двигателя и редуктора.

Основной областью применения электромеханических управляющих устройств являются широкодиапазонные системы АПЧ малого быстродействия.

В качестве гетеродинов приемных СВЧ-устройств широкое применение находят отражательные клистроны и лампы обратной волны. Эти генераторные приборы не требуют специальных управляющих элементов, т.к. частота генерируемых ими колебаний зависит от напряжения на электродах.

Для отражательных клистронов наиболее удобно изменять регулирующее напряжение на отражателе. Это бестоковый электрод, не потребляющий мощности от источника регулирования U_р и сильно влияющий на частоту генерации.

Диапазоном электронной перестройки для этого случая считается диапазон f_г, в пределах которого мощность гетеродина не менее 0,5Р_max. Эта величина для клистронных гетеродинов составляет

(10.27)

где f_г - центральная частота генерации, Q_н - нагруженная добротность резонатора клистрона.

Крутизна перестроечной характеристики климтрона f(U_обр) составляет доли мегагерц на вольт.

ЛБВ (лампы бегущей волны) - имеют большое перекрытие по частоте при изменении напряжения на замедляющей системе.

Для гетеродинных ЛБВ изменение напряжения от сотен вольт до единиц киловольт вызывает изменение частоты генерации в несколько раз. Подобного перекрытия по частоте не дают другие генераторные приборы. Следует отметить, что при этом частота генерации слабо зависит от характера нагрузки.

Крутизна регулировочной характеристики генераторов на ЛБВ равна доли-единицы МГц на вольт.

Следует отметить, что в последнее время стали широко использоваться гетеродина на лавинно-пролетных диодах, позволяющие осуществлять электронную перестройку частоты.