CC BY
81
УДК 621.373
ПЕРЕСТРОЙКА ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПАВ-ГЕНЕРАТОРА
И. В. Никонов1, Г. С. Никонова2
Омский государственный технический университет1, г. Омск, Россия АО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»1, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-245-248
Аннотация - Рассмотрены некоторые характеристики, а также принципы реализации перестраиваемых генераторов с частотно-избирательными устройствами на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Приведен пример типовой структурной схемы ПАВ-генератора и топология встречно-штыревых преобразователей ПАВ-линии задержки и ПАВ-резонатора. Приведены результаты исследования плавной перестройки частоты колебаний ПАВ-генератора фазовращателем на основе двухканальной ПАВ-линии задержки.
Ключевые слова: ПАВ-генераторы, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, частотная перестройка.
I. Введение
Разрабатываемые в настоящее время управляемые и опорные генераторы с акустоэлектронными компонентами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) уже являются конкурентоспособными при применении их в частотном диапазоне от 10 МГц до 2-3 ГГц, особенно, в сравнении с LC-генераторами [1]. Схемная реализация таких генераторов - это электронный усилитель и частотно-избирательное устройство в виде акустоэлек-тронного ПАВ-резонатора или ПАВ-линии задержки, включенные в цепь положительной обратной связи. Несомненными достоинствами ПАВ-генераторов являются миниатюрные размеры, современная технология изготовления, возможность получения сравнительно неплохих технических характеристик (спектральных характеристик, кратковременной и долговременной стабильности частоты колебаний). Однако не решены многие сложные задачи, требующие дополнительных исследований. Примерами таких задач и проблем, в частности, являются: необходимость повышения температурной стабильности частоты колебаний; необходимость разработки ПАВ-генераторов с широкодиапазонной плавной или дискретной перестройкой частоты колебаний и некоторые другие.
II. Постановка задачи
В частотном диапазоне выше 100-200 МГц уже удается получить кратковременную стабильность частоты колебаний ПАВ-генераторов с резонаторами и линиями задержки (ЛЗ) лучше, чем 10-10-10-11 относительных единиц [2]. Кроме того, при разработке для этих частот генераторов с ПАВ-резонаторами достигается относительно мощность спектральной плотности фазовых шумов в спектре выходного сигнала на 10-20 дБ меньше, чем при умножении частоты колебаний генератора с объемным акустическим резонатором (при отстройках более 1 кГц от средней частоты колебаний). Это, например, имеет большое значение при применении таких ПАВ-генераторов в радиотехнических устройствах анализа современных радиолокационных станций, так как при применении более высококачественных функциональных узлов существенно увеличивается дальность обнаружения движущихся объектов.
Однако при проектировании генераторов для радиотехнических устройств связи, в зависимости от их назначения, необходимо обеспечить или возможность небольшой подстройки частоты (доли процента от средней частоты колебаний), или же широкодиапазонной плавной или дискретной перестройки частоты (единицы-десятки процентов от средней частоты колебаний). Постановка задачи исследования следующая. Разрабатываемое устройство планируется применять в системах различного назначения: и в качестве управляемого по частоте генератора, и в качестве автогенераторного датчика для изменения температуры в диапазоне изменения температуры от 0 до 400С. В связи с этим частотно-избирательное устройство ПАВ-генератора было выполнено на пьезоподложке из ниобата лития температурно-зависимого YZ-среза. В этом случае, без применения схемотехнической термокомпенсации или обычного термостатирования генератора, температурные флуктуации вызовут относительное изменение частоты колебаний генератора 0,9 10-4/град. В заданном температурном диапазоне от 0 до 400С относительное изменение частоты колебаний ПАВ-генератора уже составит 0,3610-2 (0,4%). При применении устройства в качестве автогенераторного датчика температуры перечисленное выше является положительным эффектом. Однако для использования устройства «как управляемого по частоте генератора» в
том же температурном диапазоне, необходимо оценить возможность плавной перестройки частоты колебаний ПАВ-генератора в тех же пределах - 0,36 10-2 (для компенсации температурного ухода частоты колебаний). Один из вариантов реализации плавной перестройки частоты колебаний ПАВ -генератора рассматривается в данной публикации.
III. Теория
На рис. 1 приведена структурная схема генератора, в цепь положительной обратной связи которого могут быть включены различные частотно-избирательные ПАВ-устройства (фильтры): ПАВ-линии задержки или ПАВ-резонаторы.
ПАВ-устройство (управление)
Рис. 1. Структурная схема ПАВ генератора
Электронный усилитель может быть однокаскадным или двухкаскадным, в зависимости от выбранной частоты колебания, от фазового сдвига в ПАВ-устройстве на этой частоте и от вносимого этим устройством ослабления. «Электронным фазовращателем» в схеме на рис. 1 названо «устройство», которое может либо выполнять функции управляемого фазовращателя (в схеме генератора с плавной перестройкой частоты) или же функции выбора дискретных частот настройки (в схеме генератора с дискретной перестройкой частоты колебаний).
На рис. 2, 3 показаны топологии встречно -штыревых преобразователей (ВШП) некоторых ПАВ-фильтров, которые могут быть применены в цепи обратной связи генератора [3].
б)
Рис. 2. Топология ПАВ-резонаторов
Топологическая структура одновходового ПАВ-резонатора (рис. 2а) включает в себя один ВШП и пару отражательных решеток (металлических полосок или параллельных канавок). Электрическая эквивалентная схема такой резонансной структуры для основной (первой) гармоники - это параллельный колебательный ЬС-контур третьего вида. Диапазон изменения фазочастотной характеристики в полосе пропускания такого резонатора равен п- радиан.
Связанный ПАВ-резонатор (рис. 2б) состоит из двух близко расположенных одновходовых резонаторов, выполненных на одной пьезоподложке. Общая шина в топологической стртуктуре резонатора выполняет функции волновода (волновод в на рисунке 2б) и обеспечивает слабую акустическую связь. Такая топологическая структура по эквивалентной электрической схеме аналогична колебательной системе из двух «связанных» колебательных ЬС-контуров. В полосе пропускания такого резонатора, в отличие от «традиционного» одновходового резонатора, диапазон изменения фазочастотной характеристики в два раз больше (2п-радиан). Это позволяет, при необходимости, увеличить диапазон плавной перестройки частоты ПАВ -генератора внешним фазовращателем практически в два раза, в сравнении со схемой, в которой применен одновходовой ПАВ -резонатор.
Рис. 3 иллюстрирует топологию встречно -штыревых преобразователей «традиционной» одноканальной ПАВ-линии задержки с двумя встречно-штыревыми преобразователями. Встречно-штыревые преобразователи ПАВ ЛЗ на рис. 3 - эквидистантные, неаподизованные
ВШП1 ВШП2
Рис. 3. Одноканальная ПАВ-линия задержки
Основные свойства такой одноканальной ПАВ ЛЗ (без учета эффектов второго порядка):
- потери мощности в линии задержки - 3дБ (за счет двунаправленного излучения);
- потери из-за несогласования с внешними цепями - определяются схемотехническими решениями;
- относительная ширина полосы пропускания по первым нулям амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 2Мпп=1^, где N - число пар электродов более узкополосного ВШП (имеющего большее количество пар электродов);
- время запаздывания акустического сигнала в линии задержки тз=Ь/уср, где Ь - рабочая длина линии задержки (расстояние между центрами ВШП), уср - средняя скорость ПАВ (с учетом изменения скорости на металлизированной поверхности);
- частоты АЧХ, для которых фазовые сдвиги в ПАВ ЛЗ кратны 2пп (п - целые числа) - следуют с шагом 1/тз;
- устойчивый одночастотный режим работы генератора с такой ПАВ ЛЗ обеспечивается при выполнении условия при проектировании топологии ЛЗ 2Д1пп=1/Тз (условие модовой селекции).
Для дальнейших исследований выбрана двухканальная ПАВ ЛЗ, так как в этом случае просто реализуется и частотно-избирательное ПАВ-устройство, и фазовращатель.
IV. Результаты исследования
Исследовались характеристики одночастотного ПАВ -генератора с плавной перестройкой частоты колебаний со средней частотой колебаний :0= 20 МГц. В схеме генератора была применена двухканальная ПАВ ЛЗ выполненная на пьезоподложке из ниобата лития, с тремя последовательно расположенными ВШП (входной ВШП - средний), что позволило избавиться от потерь мощности из-за двунаправленного излучения. Запаздывание в каждом из каналов ПАВ ЛЗ составляло около 1,6 мкс. При проектировании ПАВ ЛЗ выполнено условие модовой селекции для обеспечения в схеме генератора устойчивого одночастотного режима. Кроме того, рабочая длина одного из канала ПАВ ЛЗ имеет большую рабочую длину на величину Х0/4 (Х0=уср/:0>), то есть на частоте : сигналы с выходных ВШП имеют примерно одинаковую амплитуду и разность фаз п/2 радиан. В схеме генератора сигналы с выходных ВШП суммируются через варикапы и подаются на схему «общая база» первого каскада двухкаскадного усилителя. Второй каскад выполнен по схеме «общий коллектор» (с его выхода элек-
трическое колебание подается на входной ВШП). Параметры электронных радиокомпонентов следующие. Транзисторы биполярные КТ3162А (fT=700 МГц, ^1Э=110); варикапы для реализации сумматора-фазовращателя КВ136А (коэффициент перекрытия 3, начальная емкость 19 пФ при обратном напряжении минус 4 В). За счет использования варикапов электронным способом можно изменять амплитуды сигналов с выходных ВШП при их суммировании на входе усилителя, изменяя при этом (теоретически) фазовый сдвиг такого фазовращателя в пределах от 0 до п/2 радиан. Для генератора с рассмотренной выше двухканальной ПАВ ЛЗ такое изменение фазового сдвига соответствовало бы плавной перестройке частоты колебаний на величину около 150 кГц (около 1% от средней частоты колебаний).
В экспериментах с генератором на среднюю частоту 20 МГц диапазон плавной перестройки частоты колебаний генератора был примерно 60 кГц (0,4%), что объяснялось реальными характеристиками фазовращателя на варикапах, примененного в данной схеме для перестройки частоты. У данного генератора на частоту 20 МГц можно оптимизировать некоторые характеристики, применив варикапы с меньшей начальной емкостью. При таком изменении радиоэлементов схемы будут другие коэффициенты передачи по напряжению сигналов с выходных ВШП и диапазон частотной перестройки близок к 1%.
VI. Выводы и заключение
Проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность эффективного плавного управления частотой ПАВ-генератора управляемым фазовращателем. Фазовращатель (или его «составные части») для перестраиваемого по частоте ПАВ -генератора целесообразно выполнять также топологическими методами на той же пьезоподложке, что и частотно-избирательное ПАВ-устройство. В данных экспериментах диапазон плавной перестройки частоты составил около 60 кГц при средней частоте колебаний 20 МГц. Вместо ПАВ ЛЗ с последовательным расположением каналов можно также применять ПАВ ЛЗ с параллельным расположением каналов.
Список литературы
1. Никонова Г. С. , Никонов И. В. Фазовые шумы ПАВ генераторов УКВ диапазона // Динамика систем, механизмов и машин. 2012. Кн. 3. С. 273-276.
2. Никонова Г. С., Никонов И. В. Минимизация шумов ПАВ генератора за счет системного проектирования // Известия вузов. Физика. 2015. № 8 (2). С. 114-117.
УДК 621.319.53
ГЕНЕРАЦИЯ И ФОРМИРОВАНИЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ
А. В. Никонов
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-248-259
Аннотация - рассмотрена проблема формирования тестовых воздействий в испытательных системах электронной промышленности для проверки изделий электронной техники УВЧ диапазона. Показана сложность задач по установке амплитудных и временных параметров в многоканальных генераторах тест-сигнала. Решаются проблемы, связанные с многоканальной широкополосной генерацией сигналов и регулировкой частоты, с регулировкой длительности фронта, среза, длительности импульса и его положения во времени. Также решается задача сдвига сигналов относительно друг друга в различных каналах. Предложены способы построения высокоточных аналоговой и цифровой линии задержки пикосе-кундного диапазона. Показана возможность регулировки амплитудных параметров тест-сигнала.
Ключевые слова: диапазон УВЧ, тестовый сигнал, изделия электронной техники, многоканальность, точность.
I. Введение
В испытательных системах электронной промышленности формируется тестовое воздействие для электронных модулей в виде импульсной последовательности. Импульсы тест-сигнала должны быть синхронны с такто-
