CC BY
34
Доклады БГУИР
2010 № 2 (48)
ЭЛЕКТРОНИКА
УДК 621.385.64
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ ГЕНЕРАТОРА СВЧ С ВНЕШНЕЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ
АО. АШАМИС, Ю.А. КИСЛЫЙ, А.М. БРИГИДИН
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 21 декабря 2009
Предложена новая модель автогенератора СВЧ с внешней дополнительной обратной связью (ВДОС), в которой в отличие от существующих аналогичных устройств цепь ВДОС выполнена в виде мостового устройства, что существенно упростило конструкцию генератора и позволило увеличить диапазон перестройки частоты.
Ключевые слова: автогенератор СВЧ, цепь внешней дополнительной обратной связи, конструкция, новая модель, квадратурный мост, комплексная проводимость, самосинхронизация, перестройка частоты, уравнения установления амплитуды и фазы, затягивание частоты, комплексная частота.
Введение
Генератор СВЧ, структурная схема которого изображена на рис. 1, впервые рассматривается в работах [1-4].
Рис. 1 Структурная схема генератора СВЧ с ВДОС
Здесь часть генерируемой мощности через циркулятор и направленный ответвитель подается на автогенератор в качестве синхросигнала. Такое устройство в одних работах [5] получило название самосинхронизированного генератора, в других [6] — генератора с автосинхронизацией. В дальнейшем, например, в монографии [7], за ним закрепился термин "генератор СВЧ с внешней дополнительной обратной связью (ВДОС)". Благодаря разделению путей прямого и обратного прохождения сигнала, предложенная схема генератора СВЧ с ВДОС предоставляет большую свободу выбора схемных элементов для получения линии импедансов требуемой формы.
Многофункциональность генератора СВЧ с ВДОС является существенным преимуществом по сравнению с обычными диодными СВЧ-генераторами, что позволяет с его помощью
решать практические задачи от электронной перестройки частоты и генерации радиосигналов с угловой модуляцией до стабилизации частоты и использования его в системах автоматической подстройки частоты.
Однако широкому использованию генератора СВЧ с ВДОС на практике, по нашему представлению, помешали следующие причины: во-первых, это устройство характеризуется конструктивной громоздкостью, дороговизной, наличием большого числа соединений, сосредоточенных в петле обратной связи; и, во-вторых, из-за небольшой величины ответвляемой мощности имеет незначительный диапазон перестройки частоты.
В настоящей работе изучается более совершенный в конструктивном отношении генератор СВЧ с ВДОС, анализируются некоторые теоретические и экспериментальные вопросы. В частности, рассматриваются уравнения установления амплитуды и фазы высокочастотного (ВЧ) напряжения в предлагаемой модели генератора СВЧ с ВДОС, производится количественное сравнение теории с экспериментом.
Теоретический анализ
Рассмотрим структурную схему устройства управления частотой автогенератора СВЧ с ВДОС, представленную на рис. 2.
Рис. 2 Структурная схема устройства управления частотой автогенератора СВЧ
Задачей данной конструкции генератора СВЧ с ВДОС является увеличение диапазона перестройки частоты и упрощения конструкции устройства. Это достигается тем, что между автогенератором СВЧ и полезной нагрузкой включено мостовое устройство типа квадратурного моста, к противоположным плечам 2 и 4 которого соответственно подключены балластная нагрузка и электронный фазовозвращатель отражательного вида.
Принцип действия устройства управления частотой автогенератора СВЧ заключается в следующем. Мощность колебаний автогенератора СВЧ в квадратурном мосте делится поровну и подводится к полезной нагрузке к короткозамкнутому плечу моста 4. Отраженная мощность возвращается к плечам 1 и 2 квадратурного моста в равной пропорции. Одна часть расходуется в балластной нагрузке, другая в качестве синхронизирующего сигнала поступает на вход (выход) генератора.
Таким образом, благодаря режиму стоячих волн в плече 1 квадратурного моста при изменении фазы в короткозамкнутом отрезке волновода (плечо 4) происходит изменение мощности на входе (выходе) автогенератора, что приводит к дополнительному изменению частоты, так как генератор СВЧ в данном случае работает в режиме самосинхронизации.
Чтобы определить зависимость частоты от величины модуля и фазы коэффициента отражения в генераторе с ВДОС (рис. 2) необходимо найти дифференциальные укороченные амплитудные и фазовые уравнения, описывающие работу данного устройства.
Анализ работы схемы проведем на основе квазилинейного метода, суть которого состоит в медленности изменения амплитуды, т.е. относительные изменения амплитуды за период колебания малы по сравнению с единицей:
1
и &
тп<< 1
(1)
Как известно, в автономном генераторе стационарные колебания обеспечиваются балансом амплитуд и фаз напряжений и токов в колебательной системе, в результате чего на выходе генератора возникает мгновенное напряжение, описываемое выражением:
и = 1/0 соз(сог -ф0) (2)
где II (), фп — стационарные амплитуда и фаза колебания, соответственно; со , — генерируемая частота.
Простые и пригодные для инженерных расчетов соотношения, характеризующие процесс самосинхронизации, можно получить, рассматривая влияние сигнала, созданного в петле обратной связи, на автогенератор как результат воздействия волны напряжения, отраженной от нагрузки. Такая трактовка очень наглядна, поскольку явления при самосинхронизации становятся эквивалентными явлению затягивания частоты. Рассматривая процессы, происходящие в генераторе с ВДОС, изменением электронной проводимости генератора Уа под действием сигнала, сформированного цепью обратной связи, будем пренебрегать и, кроме того, ограничимся случаем малого сигнала, поступающего на вход генератора: IIс «II,, где IIс — амплитуда напряжения, сформированного цепью обратной связи и пересчитанная к колебательной системе генератора, а и г — амплитуда напряжения, вырабатываемого генератором. Тогда в рамках
принятых допущений воздействие сигнала ВДОС можно представить как результат подключения к резонаторной системе генератора проводимости, сформированной цепью ВДОС:
}У _и\-К2+]2К*тц1) воос a2г(l + K2+2Kcos^V),
где 70 =1/г0 — волновая проводимость линии; К — 11с Д/г — (/' //' )' ~ — модуль коэффициента отражения; \\1 — фаза коэффициента отражения; а , — коэффициент трансформации выходного устройства генератора.
На основании структурной схемы устройства (рис. 2) и приведенных рассуждений составим эквивалентную схему генератора СВЧ с ВДОС (рис. 3).
Рис. 3 Эквивалентная схема генератора с ВДОС
Так как квадратурный мост обеспечивает развязку токов 1а, /вдос, то их можно считать
независимыми друг от друга, а направление токов принять таким, как показано на схеме. Тогда в соответствии с первым законом Кирхгофа для схемы (рис.3) справедливо равенство:
'а+Ь+'еоос=0 (4)
или
игк+ига+игадое = о,
что, в конечном счете, приводит к соотношению
Ук+1+Увоос= о, (5)
которое может быть записано виде двух уравнений:
Ск+Са+Свдос=0, (6)
Вк+Ва+Ввдос= 0. (7)
Соотношение (6) объединяет активные проводимости активного элемента генератора, петли ВДОС и резонаторной системы и отражает условие баланса мощностей в автономном генераторе. Отрицательные проводимости Са , Свдос компенсируют потери в резонаторе. Уравнение (7) есть сумма реактивных проводимостей схемы, и оно является условием резонанса в системе.
Для вывода уравнений установления амплитуды и фазы высокочастотной составляющей напряжения автономного генератора, охваченного внешней дополнительной обратной связью, рассмотрим комплексные проводимости, образующие генератор СВЧ с ВДОС. Для большинства СВЧ-приборов свойственно запаздывание первой гармоники высокочастотного тока /вых относительно напряжения и, поэтому нелинейный активный элемент заменяем усредненной по первой гармонике тока отрицательной комплексной проводимостью в следующем виде:
а и и и
где 0 — угол запаздывания ВЧ-тока относительно напряжения С/ .
Комплексную проводимость резонаторной системы найдем из следующих соображений. В переходном режиме амплитуда высокочастотного напряжения и в течение короткого времени возрастает в резонаторной системе от нулевого значения до конечной величины. По достижении установленного значения амплитуда совершает либо весьма малые медленные отклонения от среднего значения из-за шума и высших гармоник, либо более существенные низкочастотные колебательные движения вследствие параметрических явлений или внешних воздействий. В этом случае для анализа колебательных процессов удобно ввести новую переменную — комплексную угловую частоту и линейную часть автогенератора (резонатор с нагрузкой) в точках подключения выходных электродов активного элемента заменить проводимостью:
гр=ср+1±-+&кср, (9)
где ©д. = со + у'5 — комплексная частота; со — физически реализуемая частота колебаний системы; 8 — затухание резонаторной системы.
Так как в каждый момент времени амплитуда колебании возрастает по экспоненцио-нальному закону [6], то
6 = .« = .М. „о,
(к и (к
После подстановки значения комплексной частоты в (9) и соответствующих преобразований представим комплексную проводимость резонаторной системы в виде
Гр=вр-2СрЬ + ]2Ср{<й-<йр), (11)
в котором юр — 1 ^ЬрСр — резонансная частота колебательной системы; Ор, С^ , Ьр — эквивалентные проводимость, емкость и индуктивность резонатора, соответственно.
Искусственно вводя сог в разность (со — со р). преобразуем последнюю, заменяя отклонение мгновенной частоты от генерируемой производной фазы
^ = со-сог, (12)
Л
а так как частота и фаза колебаний связаны между собой интегральным и дифференциальным соотношениями, то можно осуществить в (11) замену
(13)
В окончательном варианте соотношения для комплексной проводимости резонатора можно представить выражением:
Y=GP+2CP— — + j2Cv
р р р U dt р
¿/ф
(14)
Подставляя в уравнение (6) значения активных проводимостей, а в уравнение (7) — значения реактивных проводимостей из соотношений (3), (8) и (14), получим следующие дифференциальные уравнения установления амплитуды и фазы напряжения ВЧ:
dU dt
со,
2а
U-
^вых\
G„
cos В ■
Y0QH
■и
а2гСро)р v
1 -К2
1+ К2 + 2К cos \|/
(15)
dq dt
со.
2а,
со.
2бн +
вых 1
GJJ'
sine+ 2
ш
ы2гСр(йр v
iTsini)/
1 + К2 +2Kcosy
(16)
где ()н=Срыр/Ср —нагруженная проводимость резонатора.
Принимая во внимание допущение (1) и малость амплитуды напряжения в петле ВДОС
по сравнению с генерируемым сигналом, найдем из уравнения (15) /_
U = -
вых 1
G.
cos 9.
(17)
Поскольку в установившемся режиме фаза высокочастотного напряжения генератора
СВЧ с ВДОС ф = const, то —— = 0 . Это положение открывает возможность для отыскания из
dt
уравнения (16) значения частоты, генерируемой автогенератором с ВДОС:
СО (О
со,„Л„„ = со „--—tgQ-
iCsiny
20н
QBH(\ + K2+2Kcosx¥)
(18)
Здесь ()ен = (^2гСрОр/У0 —внешняя добротность резонатора.
Если принять во внимание, что в автогенераторе без цепи ВДОС генерируемая частота
юг = (йр -
—— tg6, то
2а
f - f = -
J гвдос J г
Л
iCsinv)/
ан (i+i:2+2i:cosv)
(19)
Результаты и их обсуждение
Для проверки теоретических выкладок были проведены исследования диапазона перестройки частоты диодного автогенератора с помощью фазовращателя отражательного типа, включенного в цепь ВДОС. При проведении эксперимента использовался автогенератор, выполненный на основе волноводной резонаторной системы, в которую включен диод Ганна 3А703А. При расчете принималось уг=9,03 ГГц, То=9,2 ГГц, 0вн=4О, 0н=3О, К=0,3. Результаты
расчета и эксперимента по диапазону перестройки частоты в крайних точках различаются на 20-25%. Полученные теоретические результаты в крайних точках (максимум перестройки частоты) на 20-30 МГц больше экспериментальных данных. Во-первых, это связано с тем, что отрицательная комплексная проводимость диода Ганна, в действительности, представляет собой более сложную зависимость, чем это представлено в уравнении (8). Во-вторых, с целью упрощения выводов, в окончательном выражении (19) не было учтено действительное значение амплитуды установления высокочастотного напряжения U в уравнении (15). Однако следует подчеркнуть, что эксперимент качественно подтвердил характеристику изменения перестройки частоты, полученную теоретическим путем.
Заключение
Предложена новая конструкция автогенератора с цепью ВДОС в виде мостового устройства, отличающаяся от существующих генераторов с ВДОС простотой конструкции и большим диапазоном перестройки частоты. Получены аналитические выражения, определяющие диапазон перестройки частоты в зависимости от параметров генератора и цепи ВДОС, качественно подтвержденные экспериментальным путем. В дальнейшем, чтобы добиться количественного совпадения теоретических и экспериментальных результатов, необходимо внести поправки в соотношения, полученные в данной работе, в зависимости от конкретного типа электронного прибора и параметров цепи ВДОС.
THE RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF A NEW DESIGN OF THE SHF GENERATOR WITH AN EXTERNAL ADDITIONAL FEEDBACK
A O. ASHAMES, Y.A. KISLY, A.M. BRIGIDIN
Abstract
A new model of a microwave oscillator with an external additional feedback (EAF), which, in contrast to existing similar devices chain EAF is designed as a bridge device, which significantly simplified the design of the generator, and has increased the range of frequency tuning.
Литература
1. Ota T, HataM. // J. Inst. Elec. Chem. Eng. Japan. 1970. Vol. 53-B. P. 487-494.
2. А.С. СССР № 375026. СВЧ генератор. 14.05.1971. / А.М. Бригидин, Г.П. Дунаев, В.И. Капыщев и др. 1973. Бюллетень изобретений. N 37.
3. Пат. США № 4162459. МКИ Н03 В 9/10.
4. А.С. СССР № 446924. Устройство управления частотой магнетрона. 06.02.1973. / А.М. Бригидин, М.И. Минаев, Г.И. Ясюля. 1974. Бюллетень изобретений. N 38,
5. Бригидин А.М., Минаев М.И. // Электронная техника. 1976. Сер. 1, вып. 2.
6. Курокава К. ТИИЭР. 1973. Т. 60, № 10.
7. Минаев М.И. Генераторы СВЧ с внешней дополнительной обратной связью. Минск, 1984.
