книги из ГПНТБ / Ильченко, М. Е. Твердотельные СВЧ фильтры

генса. Ширина диаграммы на уровне 3 дБ около 90°. Излу­ чение имеет частотно-избирательный характер с максиму­ мом на резонансной частоте системы. Ширина резонансной кривой определяется собственной добротностью резонатора и степенью его связи с цепью СВЧ и с пространством. Обычно ширина резонансной кривой составляет от несколь­ ких десятков до нескольких сотен мегагерц.

Таким образом, резонансный характер излучения твер­ дотельного антенного элемента СВЧ позволяет совместить в одном устройстве функции антенны и частотного фильтра. Представляет интерес соответствующая комбинация несколь­ ких одиночных антенных элементов, а также применение одиночного элемента в более сложных конструкциях антен­ ных систем [50].

2. РЕЗОНАТОРЫ И ФИЛЬТРЫ В ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ГЕНЕРАТОРАХ

В технике СВЧ часто требуются малогабаритные СВЧ генераторы с электронной перестройкой в широком диапа­ зоне частот. Подобные генераторы создают на основе СВЧ транзисторов и полупроводниковых диодов, использующих различные эффекты: туннельный, лавинопролетный, эф­ фект Ганна и др. В длинноволновой части диапазона СВЧ обычно используют транзисторы, на более коротких вол­ нах — диодные генераторы и транзисторные генераторы, работающие в режиме умножения частоты. Наиболее эф­ фективный электронный способ частотной перестройки СВЧ генераторов — это перестройка при помощи варак­ торов или ферритов. Оба способа не исключают один дру­ гого, а скорее удачно дополняют, поскольку перестройка с помощью монокристаллов ферритов осуществляется зна­ чительно более медленно, но зато более линейно, чем пере­ стройка с помощью варакторов. Из-за большой постоян­ ной времени цепи подмагничивания ФР снижается скорость перестройки, которая в октавной полосе частот составляет

величину порядка миллисекунды. Генератор с варактором можно перестроить в широком диапазоне частот за микро­ секунды. Рассмотрим некоторые особенности и схемы ча­ стотной перестройки СВЧ генераторов при помощи моно­ кристаллов ферритов.

Впервые возможность использования ферромагнитного резонанса для перестройки СВЧ генератора была показана [40] на транзисторном СВЧ гене­ раторе, в цепи обратной связи ко­ торого включен полосно-пропуска- ющий ферритовый фильтр (рис. 34).

В этой схеме энергия обратной связи через фильтр поступает от коллектора к базе. В рабочем диа­ пазоне частот транзистора с уче­ том конструктивных и схемных реактивностей частота генератора определяется ферритовым фильт­ ром, диапазон перестройки кото­ рого, как уже отмечалось, может быть очень широкий. В конструк­

ции такого генератора необходимо свести к минимуму индуктивности и емкости цепей подключения транзистора к фильтру и к источникам питания. Фильтр целесообразно строить, используя витковые элементы связи. На параметры генератора существенное влияние оказывают такие харак­ теристики фильтра, как вносимые потери, пороговые уров­ ни мощности и связь на высших магнитостатических видах колебаний. Практически можно создать генераторы с пе­ рестройкой в диапазоне частот не менее, октавы и выход­ ной мощностью в несколько милливатт.

Отдельный класс конструкций СВЧ твердотельных ге­ нераторов составляют диодные генераторы. Создание в 1959 г. туннельного диода привело к разработке малогаба­ ритных генераторов малых уровней мощности. Преиму­ ществом генераторов на туннельных диодах является так­

82

же и то, что для их работы необходимы низкие напряжения. Так как отрицательное сопротивление диода не зави­ сит от частоты в широком диапазоне, то использование ре­ зонаторов на монокристаллах ферритов в сочетании с тун­ нельными диодами позволяет создавать СВЧ генераторы с электронной перестройкой в большом диапазоне частот. Диапазон перестройки таких генераторов определяется па­ раметрами связанных между собой соответствующим обра­ зом туннельного диода и резонатора на монокристалле феррита.

Недостаток генераторов на туннельных диодах — малый уровень генерируемой мощности. Поэтому после открытия в 1963 г. Ганном [8] эффекта отрицательной дифференци­ альной проводимости в объеме двухдолинного полупровод­ ника при приложении к нему электрического поля опреде­ ленной напряженности, а также после создания диодов, в которых этот эффект использован, исследования по раз­ работке электрически перестраиваемых диодных генерато­ ров получили дальнейшее интенсивное развитие. Механизм частотной перестройки генераторов на диоде Ганна основан на том, что частота колебаний СВЧ определяется резонанс­ ной частотой колебательной цепи, с которой связан диод. Роль такой цепи может выполнять резонатор из монокри­ сталла феррита. В зависимости от используемой конструк­ ции цепи связи генераторы строят на коаксиальной, полос­ ковой, волноводной линии передачи или с использованием витковой связи диода и резонатора. На рис. 35 показаны две схемы взаимного расположения диода Ганна, резонато­ ра из монокристалла феррита, витка связи и направления поля подмагничивания [1, 42]. Генерируемые диодом СВЧ колебания возбуждают резонатор, через который мощность передается во внешние цепи. При этом частота колебаний регулируется изменением напряженности поля подмагни­ чивания.

Для создания многооктавных электрически перестраи­ ваемых СВЧ генераторов используется схема умножителей

частоты с последующим выделением сигналов нужной гармоники при помощи ферритовых фильтров. Для умноже­ ния частоты применяют нелинейные сопротивления полу­ проводниковых диодов и нелинейные емкости варакторов. Наряду с ними применяются также диоды с накоплением заряда неосновных носителей (ДНЗ). Эти диоды выгодно отличаются своими качественными характеристиками, что обусловлено присущим им свойством резкого изменения

емкости в зависимости от приложенного напряжения. Од­ на из схем умножителей частоты на ДНЗ с частотной се­ лекцией выходного сигнала при помощи двухрезонаторного ферритового фильтра показана на рис. 36 [45]. СВЧ сигнал задающего перестраиваемого генератора 1 через согласую­ щий трансформатор 2 поступает на ферритовый фильтр 3, последовательно с входным витком первого каскада кото­ рого включен диод 4. Постоянное напряжение смещения на диод, определяющее его режим работы, подведено через цепи согласующего трансформатора. Под действием вход­ ного гармонического сигнала и постоянного напряжения смещения через диод протекает ток в виде последователь­ ности импульсов, спектр которых представляет собой ряд гармонических составляющих, отличающихся между собой

84

по частотной шкале на значение частоты входного сигнала. Ферритовый фильтр настроен на определенную составляю­ щую и выделяет ее на выходной нагрузке. При периоди­ ческом изменении частоты входного сигнала и настройке фильтра последовательно на вторую, третью и последую­ щие гармоники можно получить на выходе сигнал, частота которого изменяется в широком диапазоне. Так, например, при использовании сигналов 2—5 гармоник возможно сплошное перекрытие в диапазоне 2—7 ГГц с выходной мощностью сигнала 70—10 мВт при входной мощности 0,5 Вт [45]. Уменьшая резонансные потери фильтра и повы­ шая степень согласования задающего генератора с умно­ жителем, можно существенно улучшить диапазонные ха­ рактеристики такого устройства.

3.ФИЛЬТРЫ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

ИРАДИОПРИЕМНЫХ СИСТЕМАХ

Перестраиваемые фильтры на монокристаллах ферри­ тов широко применяются в технике измерений и контроля различных параметров СВЧ сигналов. Так, например, из­ вестны работы по использованию резонаторов и фильтров для измерения среднего значения мощности [4, 14], измере­ ния напряженности магнитного поля и мощности СВЧ в импульсе [2, 33]. В настоящее время на основе ферритовых фильтров созданы устройства для автоматического измере­ ния и контроля частотных параметров радиоизлучений [2], а также методы и устройства для исследования побочных колебаний электровакуумных приборов СВЧ [21].

Одним из первых применений резонаторов на монокри­ сталлах ферритов в технике измерений было создание изме­ рителей частоты СВЧ сигналов [63]. Частоту определяют измерением напряженности поля подмагничивания, что в простейшем случае может быть сведено к измерению тока электромагнита. Функциональная схема волномера [10] на основе электрически перестраиваемого ферритового

85

фильтра показана на рис. 37. Фильтр 1 перестраивается в широком диапазоне частот при помощи генератора пило­ образного тока 3. При обнаружении СВЧ сигнала сраба­ тывает включенная на выходе фильтра схема порогового детектора 2, с которого через схему 4 на генератор 3 подает­ ся импульс остановки перестройки фильтра, а зафиксиро­ ванная при этом величина тока преобразуется в пропорцио­ нальный значению изме-

Ферритовые фильтры применяются в устройствах, кото­ рые не только измеряют частоту, но и обеспечивают пано­ рамную индикацию СВЧ сигналов на экране электронно­ лучевой трубки. Так, например, серийно выпускаемый панорамный частотомер типа 42-55 позволяет наблюдать и автоматически измерять с погрешностью 0,5% одновре­ менно все частоты непрерывных, кратковременных и им- пульсно-модулированных СВЧ сигналов в диапазоне 5,6— 8,4 ГГц. В приборе использован полосно-пропускающий ферритовый фильтр. Характеристики частотомера: время перестройки по диапазону 0,03 с, разрешающая способ­ ность 8 МГц и динамический диапазон уровней мощности

измеряемых сигналов 30 дБ при чувствительности Ю~6 Вт.

86

В радиоизмерительной технике СВЧ нашли также широ­ кое применение цифровые электронносчетные частотомеры, в которых использован гетеродинный принцип. Согласно этому принципу, входные СВЧ сигналы неизвестной частоты преобразуются с понижением частоты и непосредственно на счетчике измеряется частота. Применение монокристаллических ферритовых фильтров в схемах таких устройств позволяет создать автоматические гетеродинные частотоме­ ры, которые имеют широкий диапазон измеряемых частот и малые габаритные размеры [43]. Функциональная схема такого частотомера показана на рис. 38. Прибор содержит опорный кварцевый генератор /, выходной сигнал которого

счастотой /0 поступает в генератор гармоник 2, формирую­ щий сетку частот nf0. Ферритовый фильтр 3, электрически перестраиваемый в диапазоне частот, выбирает одну из составляющих сетки частот. Сигнал с частотой п0/0, наряду

сСВЧ сигналом, частоту которого fx необходимо измерять, подается на смеситель 4. После смешения сигнал разност­

ной промежуточной частоты / с = fx — п0/0 усиливается широкополосным видеоусилителем 5 и поступает на счет­ чик непосредственного отсчета частоты 6 и детектор 7, вы­ ход которого подключен к схеме 8 электронного управления частотой ферритового фильтра. Фильтр 3 работает в режи­ ме свиппирования, причем перестройка его по частоте всег­ да начинается с нижней границы частотного диапазона и прекращается в тот момент, когда появляется выходной сигнал с детектора 7 и частота сигнала /с на входе счетчика 6 оказывается в пределах его рабочего диапазона частот. Измеряемую частоту fx определяют по выходному индика­ тору 9, куда поступает сигнал со счетчика 6 и сигнал с выхода схемы 8, несущий в себе информацию о номере п0 используемой гармоники опорного сигнала с частотой Измеряемая частота равна fx —■/с + n0f0. Применение фильтров в описанной схеме прибора позволило создать [43] автоматический гетеродинный частотомер, перекры­ вающий полосу частот от 10 Гцдо 18 ГГц.

87

Известно, что входные цепи современных приемных СВЧ устройств вместе с антенно-фидерным трактом составляют 30—40% общей массы и энергопотребления радиосистем [35]. Поэтому миниатюризация входных цепей и элементов антенно-фидерного тракта является весьма актуальной задачей. Определенный вклад в решение этой задачи мо­ жет внести использование твердотельных резонаторов в сочетании с полупроводниковыми элементами СВЧ.

В радиоприемных системах, работающих на фиксиро­ ванных частотах, в качестве резонансных цепей применяют диэлектрические резонаторы. Если условия работы требу­ ют быстрой электрической перестройки, то предпочтитель­ нее использовать резонаторы и фильтры на монокристаллах ферритов. Подобные фильтры применяют, например, в двухканальных приемных устройствах станций перехвата и в моноимпульсных станциях сопровождения [3]. Пред­ ставляет интерес использование двухканальных фильт­ ров в сочетании с СВЧ усилителями, причем один канал фильтра включают до усилителя, а второй — после него. Первый канал фильтра работает при этом как преселектор и благодаря его узкой полосе пропускания уменьшает шум, поступающий на усилитель. Второй канал выполняет функции постселектора, дополнительно снижая уровень шумов. При подобном включении фильтров, например, в приемнике системы радиопротиводействия [3], удалось применить вместо малошумящих ЛБВ лампы с большим усилением (до 40 дБ) и высоким уровнем шумов (до 20 дБ). В этой системе оба канала фильтра имеют общую магнитную систему.

Фильтры на монокристаллах ферритов являются основ­ ными элементами панорамных приемников, которые обеспе­ чивают регистрацию СВЧ сигналов одновременно в широком диапазоне частот [10, 35]. В подобных системах генератор перестройки фильтра в диапазоне частот синхронизи­ рован с горизонтальной разверткой электронно-лучевого индикатора, на котором наблюдают принимаемые сигналы

88

Для расширения динамического диапазона наблюдаемых сигналов ферритовый фильтр 2 (рис. 39), перестраиваемый генератором 6, может быть охвачен [17] цепью обратной связи, исполнительным элементом которой является элект­ рически управляемый аттенюатор на полупроводниковых диодах 1. Затухание СВЧ энергии, вносимое этими p-i-п-ди­ одами, зависит от управляющего тока, величина которого определяется амплитудой сигнала на выходе фильтра, где

включен видеодетектор 3 и схе­ ма обработки сигналов 4. Зави­ симость затухания от управ-

Вход

ляющего тока нелинейна и обусловливает получение нели­ нейной амплитудной характеристики устройства. Парамет­ ры цепи обратной связи обычно выбирают так, чтобы уро­ вень мощности Р2 на входе ферритового фильтра 2 был меньше порогового значения РПор, при котором появля­ ются спин-волновые нестабильности, и фильтрующие свойства резонатора резко ухудшаются. Уровень мощно­ сти на входе устройства Рх может существенно превышать пороговое значение, однако Ру должно быть всегда меньше допустимой мощности, рассеиваемой p-t-n-диодами, а из­ быток мощности Рг — Р2должен поглощаться ими.

Применение цепи обратной связи с исполнительным элементом на основе /ы'-/г-диодов в схеме панорамного ин­ дикатора обеспечивает регистрацию СВЧ сигналов, уровень мощности которых существенно превышает пороговое зна­

чение мощности феррита. При использовании линейных усилителей в канале обработки сигнала 4 на экране элек­ троннолучевого индикатора 5 можно одновременно наблю­ дать сигналы, отличающиеся по амплитуде на 50 дБ и более.

В перестраиваемых супергетеродинных приемниках (рис. 40) целесообразно использовать как фильтры, так и гетеродины с электрической перестройкой частоты при по­ мощи монокристаллов ферритов [10, 35]. При питании фильтра и гетеродина от единого источника управляющего тока 6 можно обеспечить необходимое сопряжение резо­ нансных цепей преселектора 1, усилителя 2, постселектора 3, смесителя 4 и гетеродина 5, а также высокую скорость перестройки этих цепей в широком диапазоне частот.

4. НЕЛИНЕЙНЫЕ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ СВЧ УСТРОЙСТВА

Нелинейность движения вектора намагниченности фер­ рита позволяет реализовать ряд нелинейных и параметриче­ ских СВЧ устройств: ограничителей мощности, умножите­ лей частоты, усилителей и т. д. Простейшей конструкцией ферритового ограничителя мощности является обычный полосно-пропускающий фильтр. При уровнях мощности входного сигнала, достаточных для возбуждения спинволновой нестабильности, в феррите возникают спиновые волны, уносящие к кристаллической решетке почти весь избыток мощности выше порогового значения. Типичная амплитудная характеристика такого ограничителя, рабо­ тающего в режиме совпадения основного и дополнитель­ ного резонансов, показана на рис. 41. График зависимости выходной мощности от входной определяется конструкцией ограничителя, качеством и составом ферритового материа­ ла и т. п. Большинство описанных в литературе ферритовых ограничителей имеет динамический диапазон изменения входной мощности около 30 дБ при увеличении мощности на выходе ограничителя не более чем на 3 дБ.

90