книги из ГПНТБ / Вальднер, О. А. Техника сверхвысоких частот. Учебная лаборатория учеб. пособие

модуляцией сигнала и шума на входе измерителя и последую­ щим их детектированием синхронным детектором.

В настоящей работе описана методика измерения собствен­ ных шумов измерительного приемника СВЧ-диапазона методом сравнения с эталонным генератором шума. Сущность измерений состоит в следующем.

Входная цепь приемника замыкается на согласованное со­ противление (нагрузку), и регистрируется мощность выходного сигнала по индикатору калиброванного детектора. При этом на

Предварительное задание

1.Нарисовать схему супергетеродинного приемника СВЧ. Объяснить назначение отдельных элементов схемы.

2.Вывести формулу связи

дена на рис. 46. Исследуемый приемник включает ВЧ- и НЧблоки. ВЧ-блок содержит входную цепь 1 со ступенчатым аттенюатором, ослабляющим входной сигнал в отношении 1 : 10 : 100, генератор шума 2, выполненный на газоразрядной лампе, и кристаллический смеситель 3 с клистронным гетероди­ ном 4. Блок низкой частоты содержит усилитель промежуточ­ ной частоты 30 Мгц 5, квадратичный детектор 6 и усилитель

100

низкой частоты с выходным прибором 7. Для калибровки ха­ рактеристики детектора используется внешний измерительный генератор 8 на 30 Мгц, Питание ВЧ- и НЧ-блоков осуществ­ ляется от общего блока питания 9.

Рис. 46. Структурная схема измерительного приемника:

1 — входная цепь; 2 — генератор шума; 3 — смеситель; 4 — клистронный

1.Ознакомиться с конструкцией и назначением аппаратуры.

2.Подготовить и включить аппаратуру в сеть согласно ин­

струкциям по эксплуатации. Прогреть аппаратуру.

3.Откалибровать шкалу измерительного прибора НЧ-блока.

4.Отсоединить измерительный генератор от НЧ-блока и сое­

динить последний с ВЧ-блоком.

5. Произвести определение уровня собственных шумов, ис­ пользуя описанную выше методику, для десяти значений часто­ ты входного сигнала в пределах полосы пропускания прием­ ника. Частоты задаются преподавателем.

Оформление отчета

1.Начертить структурную схему установки.

2.Привести график калибровки индикаторного прибора.

3.Результаты измерения уровня собственных шумов свести

в таблицу, по результатам которой построить график Р Впш .вы х =

= P ( D -

Факультативное задание

Используя модуляционный режим измерительного приемника, измерить прямым методом собственные, шумы усилителя на ЛБВ.

Контрольные вопросы

1.Расскажите о физической природе шумов.

2.Какими причинами обусловливаются собственные (или внутренние)

шумы приемной аппаратуры?

101

шумов?

5.Приведите примеры малошумящих усилителей.

6.Какие методы измерения собственных шумов вы знаете? Дайте им краткую характеристику.

7.В чем суть модуляционного метода измерения малых уровней мощ­

ностей?

8.Дайте определение предельной чувствительности приемника. Чем оп­ ределяется эта величина?

9.Дайте определение температуры шума. В каких случаях используется

эта величина для характеристики приемных устройств (усилителей) ?

Рекомендуемая аппаратура 3-см диапазона

1. Измерительный приемник П5-7Б. 2. Генератор Г4-18А.

Р а б о т а 12

ГЕНЕРАТОР НА ЛАВИННО-ПРОЛЕТНОМ ДИОДЕ

Цель работы

Ознакомление с основными характеристиками автогенерато­ ра СВЧ-колебаний на лавинно-пролетном диоде (ЛПД).

Общие положения

Описываемый ниже прибор — генератор на ЛПД (ГЛПД) представляет собой довольно близкий полупроводниковый ана­ лог электровакуумного отражательного клистрона. Кроме ге­ нераторного режима ГЛПД может эффективно работать в ре­ жимах усиления сигнала и умножения частоты.

Принцип работы лавинно-пролетного диода, являющегося активным элементом генератора, можно пояснить следующим

на границе раздела образуется внутреннее электрическое поле, созданное двумя слоями объемных зарядов, как это показано на рис. 47. Под действием этого поля свободные носители заря­ да (электроны и дырки) образуют динамически уравновешен­ ную систему встречных токов, состоящую из диффузионной компоненты тока и токов проводимости.

Под воздействием внешнего поля картина движения носите­ лей в переходе будет меняться в зависимости от направления этого поля. Если внешнее поле направлено навстречу собствен­ ному полю перехода, то оно увеличивает диффузионные компо­ ненты токов в полупроводнике.

Если внешнее поле совпадает с внутренним, то картина дви­

102

жения носителей меняется: диффузионная компонента электрон­ ного и дырочного токов резко уменьшается, а компонента тока

го к я.

Для получения генераторного (или усилительного) режима

составляющая проводимости диода оказывается отрицательной, что при известных условиях приводит к возникновению авто-

103

генераторного режима — режима возбуждения (или усиления) колебаний.

Проведенные рассуждения позволяют понять принцип по­ строения эквивалентной схемы ЛПД и анализ работы различ­ ных устройств, выполненных на его основе. Возможная эквива­

Рис. 49. Пространственно-временная диаграмма дви­ жения носителей в р—л-переходе.

рез реактивное сопротивление Xg, динамическое (отрицательное) сопротивление Rg и активное сопротивление потерь Rs. Пара­ метры Ln и Сп представляют собой эквивалентную индуктив­ ность и емкость корпуса и выводов прибора.

Свойства генератора на ЛПД в сантиметровом диапазоне можно приближенно описать, используя эквивалентную схему, изображенную на рис. 51 и представляющую собой сочетание описанной выше схемы ЛПД с параметрами внешнего кон­ тура. Последний представлен полным реактивным сопротивле­ нием Хк и активным сопротивлением RK, включающими в себя приведенное сопротивление нагрузки Х'н и Д'н:

и Rs). В общем случае эти величины представляют собой слож­ ные функции, зависящие от рабочего тока диода /о, частоты со, амплитуды высокочастотного поля Е вч и свойств полупро­ водника (степени легирования примесями, технологии изготов­ ления и т. д.). Однако для случая, когда ток диода /0 не слиш­ ком превосходит пусковой ток /п, определяющий начало воз­

104

вательного контура; оз| = со f (1 + Cg/Ca) — резонансная частота собственного контура диода. Из двух возможных значений ча­

ление контура является индуктивным. При этом зависимость мощности и частоты колебаний ГЛПД от положения поршня /ц

106

приведена на рис. 54. Следует подчеркнуть, что сходство ха­ рактеристик весьма условно. В отражательном клистроне зоны генерации имеют место при изменении напряжения отражателя, а в ГЛГ1Д — при механической настройке контура.

Рис. 54. Зависимость мощности и частоты колеба* ний ГЛПД от положения настроечного поршня ре­ зонатора.

Рис. 55. ГЛПД с системой связанных резонаторов

иварактором:

а— конструкция; б — эквивалентная схема: 1 — ЛПД; 2 — ре­

зонатор; 3 — варактор; 4 — элементы настройки связи.

Помимо регулировки частоты с помощью изменения рабо­ чего тока и механического изменения размеров резонансного1 контура для ГЛПД разработан и более удобный прием глубо­ кой частотной перестройки с помощью дополнительного полу­ проводникового диода с переменной емкостью (варактора).

Схема такого генератора представлена на рис. 55. При этом

107

смещения. Регулируя связь 4 между резонаторами, можно до­ биться достаточно широкой частотной перестройки генератора при малом изменении уровня выходной мощности. Типичные зависимости мощности и частоты колебаний от управляющего напряжения варактора и коэф­ фициента связи между резо­ наторами приведен на рис. 56.

В 3-см диапазоне частот­ ная перестройка ГЛПД, ис­ пользующего управление через варактор, достигает 500 Мгц при изменении выходной мощ­ ности не более чем на 6 дб.

Имеются конструкции ГЛПД, в которых для управ­ ления частотой в резонатор вводится намагниченный фер­ рит. При изменении управляю­ щего поля меняется магнитная проницаемость ц и, следова­ тельно, собственная частота резонатора.

Мощность колебаний ГЛПД можно найти из уравнения ба­ ланса мощности, если известны параметры Rg и Rs. Однако аналитические выражения этих величин весьма сложны, и по­ этому полезная СВЧ-мощность обычно определяется экспери­ ментально. К настоящему времени ГЛПД на основе германие­ вых диодов в непрерывном режиме обеспечивают мощность колебаний до нескольких десятков милливатт. Для кремниевых диодов удалось достичь уровня мощности в несколько ватт при коэффициенте полезного действия 8—10%, а в импульсном режиме получены мощности до 0,5 кет. В связи с интенсив­ ными исследованиями и совершенствованием технологии ожи­ дается дальнейшее увеличение мощности и к. п. д.

Предварительное задание12

1. Рассчитать частоту колебаний ГЛПД в схеме с коакси­ альным резонатором, размеры которого указываются препода­

108

Описание экспериментальной схемы

Функциональная схема экспериментальной установки при­ ведена на рис. 57.

Исследуемый генератор представляет собой перестраивае­ мый коаксиальный резонатор с ЛПД, установленным в емкост­ ном зазоре. Питание ЛПД осуществляется от источника стаби­ лизированного тока. Коаксиальный выход генератора через ат-

Рис. 57. Функциональная схема установки для исследования ГЛПД.

тенюатор и тройник связан с согласованной нагрузкой и часто­ томером. Измерение мощности колебаний производится с по­ мощью детекторной головки. Настройка частоты генератора производится перемещением короткозамыкающего поршня резо­ натора. Для измерения тока и напряжения питания ЛПД на блоке питания установлены соответствующие измерительные приборы.

Задание и порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией генератора и измерительной

по эксплуатации.

3. Настроить с помощью передвижного поршня режим ра­ боты ЛПД на максимум выходной мощности.

4.Изменяя положение настроечного поршня, снять зависи­ мости частоты и мощности генератора в пределах двух смеж­ ных зон генерации.

5.Установив режим срыва колебаний, снять вольт-амперную

характеристику ЛПД. Максимальное значение тока при этом не должно выходить за пределы 1,5-кратного рабочего номи­ нального значения.

109