CC BY
13Электроника СВЧ
УДК 621.382.51
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Исследование нелинейного режима захватывания при синхронизации генератора на лавинно-пролетном диоде миллиметрового диапазона
Описываются нелинейные процессы изменения основных параметров генератора на лавинно-пролетном диоде при его синхронизации внешним гармоническим сигналом.
Лавинно-пролетный диод, синхронизация, амплитудная характеристика, амплитудно-частотная характеристика
При разработках автогенераторов СВЧ на диодах с отрицательной проводимостью расчеты основных характеристик обычно проводят в предположении, что активная составляющая полной проводимости диода не зависит от частоты, а реактивная - не зависит от амплитуды СВЧ-напряжения на диоде Ц^, относя, таким образом, проектируемый генератор к изохронной колебательной системе (хотя исследования импедансных свойств полупроводниковых диодов с отрицательной проводимостью показывают, что обе составляющие полной проводимости зависят от амплитуды Ц^). В большинстве случаев инженерной практики это оправдывается удовлетворительным совпадением расчетных и экспериментальных результатов. Однако такое приближение не может быть распространено на синхронизированные диодные генераторы, поскольку амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) синхрогенераторов, рассчитанные в предположении изохронности системы, симметричны относительно частоты колебаний автогенератора /, что не соответствует действительности, поскольку из-за нелинейности реактивной проводимости диода максимум АЧХ сдвигается по оси частот при изменении мощности синхронизирующего сигнала (система неизохронна) [1], [2]. Это обстоятельство существенно для синхрогене-ратора, выполняющего определенные функции в составе радиоаппаратуры.
В настоящей статье приведены результаты экспериментальной демонстрации явлений нелинейного характера, приводящих к асимметрии АЧХ синхронизированных полупроводниковых диодных генераторов СВЧ.
Из теоретических работ по синхрогенераторам известно [1]-[3], что колебательная система твердотельного генератора СВЧ является сложной, поскольку помимо резонатора включает генераторный диод, обе составляющие полной проводимости которого - активная G и © Ю. И. Алексеев, 2005 65
реактивная В - являются нелинейными частотно-зависимыми элементами. В этой связи нагруженную добротность такой колебательной системы следует считать также нелинейной [3]:
_ = ю0 |( до/дщ)(дв/дю) - (дв/ дщ)(до/ дю)|
2 (0 + 0 ) Г 2 ^0.5 ' (1)
21 о+ои) (до/ дщ )2+(ев/ дЩ )2
где Он - проводимость нагрузки генератора.
Нелинейные зависимости входящих в (1) проводимостей приводят к аномалиям АЧХ (асимметрии, смещению максимума, гистерезисам) синхронизируемого генератора. Таким образом, только экспериментальная АЧХ может быть основной характеристикой синхронизированного генератора, особенно если он выполняет в составе радиоприемного устройства такие функции, как, например, усиление или детектирование частотно- либо фазомодулированных сигналов.
В настоящей статье приведены результаты экспериментальных исследований генератора на лавинно-пролетном диоде (ЛПД) типа 2А717А, колебательная система которого представляла собой короткозамкнутый отрезок волновода миллиметрового диапазона сечением 7.2 х 3.4 мм, нагруженный волновым сопротивлением этого волновода. Частота генерации перестраивалась короткозамыкающим поршнем. Такой простейший тип генератора необходим для того, чтобы на результатах измерения АЧХ не отразились неоднородности, вносимые в резонатор любыми дополнительными органами регулировки параметров.
Согласно общим положениям теории колебаний, генератор, в схеме которого присутствуют амплитудно-зависимые реактивные проводимости (их учет описывается выражением (1)), является неизохронной колебательной системой и при его синхронизации должна наблюдаться асимметрия АЧХ, являющаяся следствием изменения частоты собственных колебаний генератора /о при изменении мощности синхронизирующего сигнала Рс . В этой связи представляется целесообразным представить результаты проведенных исследований в виде амплитудных характеристик (АХ), представляющих зависимость мощности собственных колебаний Р0 от мощности сигнала внешнего воздействия, и уже упомянутых АЧХ
/о = ^ (Рс ). Совместное рассмотрение указанных характеристик даст полное представление о нелинейных явлениях, происходящих в процессе затягивания частоты автоколебаний /0 при синхронизации. При этом за основной параметр, отражающий фактор нелинейности исследуемой системы, был принят рабочий ток ЛПД синхронизируемого автогенератора.
На рис. 1 показаны АХ и АЧХ, измеренные при токе ЛПД Iо = 116 мА . Следует отметить типичный "мягкий" ход АХ (рис. 1, а): с ростом сигнала внешнего воздействия до уровня около 0.1 мВт мощность собственных колебаний практически не меняется, затем следует резкое ее уменьшение вплоть до исчезновения собственного колебания синхронизируемого генератора. АЧХ (рис. 1, б) практически не меняется до упомянутого уровня Рс, выше которого наблюдается интенсивный процесс стягивания частоты собственного колебания генератора к частоте сигнала внешнего воздействия. АЧХ, как при положительных, так и при отрицательных расстройках /с, имеют весьма близкие значения, т. е. асимметрия АЧХ почти отсутствует.
Р0, мВт
10
-1 _
10
-2
fe - fo =-30 МГц
; У0 ч 30
^---A-V
- 15 м СЛ
/ \
¡0 = 116 мА
f0, ГГц
34.82
34.80 34.78
fe - f0 = 30 МГц ,
V
15
у
______V
- 30
¡0 = 116 мА
- 15
\
10
-3
10
-2
10
-1
Рс, мВт
10
-3
10
-2
10
б
-1
Рс, мВт
Рис. 1
При токе ЛПД ¡о = 124 мА АХ (рис. 2, а) сохраняет качественную картину поведения, хотя следует отметить существенное отличие АХ для положительных и для отрицательных расстроек по частоте сигнала внешнего воздействия - до 8.. .12 дБ. Существенно аномальное поведение при этом токе ЛПД следует отметить для АЧХ (рис. 2, б): если при отрицательных расстройках наблюдается процесс стягивания частоты собственных колебаний, мало отличающийся от описанного ранее, то при положительных расстройках проявляется существенная неоднозначность поведения АЧХ. Так, при расстройке на 15 МГц наблюдается обычный процесс стягивания /0, а при расстройке 30 МГц вначале процесса смещения частоты собственного колебания автогенератора наблюдается стягивание, затем характер смещения меняется и развивается резкий уход частоты собственных колебаний, т. е. синхронизированный генератор ведет себя, как колебательная система "жесткого" возбуждения.
Наибольшего проявления аномалий исследуемая система достигает при токе ЛПД ¡0 = 136 мА (рис. 3). На рисунке нетрудно видеть продолжающееся существенное увеличение асимметрии АХ (рис. 3, а) и дальнейшее увеличение различия в поведении АЧХ
Р0, мВт 10
1 1
10
л
I0 = 124 мА - 15Л-13°
_L
f0, ГГц
fe - f0 =-30 МГц 37.24
37.23
37.22
37.21 37.20
~ ¡5>í- fe - f0 / А = 30 МГц
> - 30
- 15 ✓
- I0 = 124 мА 1 1
10-3 10-2
10-
Рс, мВт
10-3 10-2
10-
б
Рс, мВт
Р0, мВт
10
1 |-1
¡0 = 136 мА
Рис. 2
f0, ГГц fe - f0 =-15 МГц ¡¡¡../ 35.105
-30
35.100
15Л^30 35.095
4 35.090
I I 35.085
fe - f0 = 15 МГц Д
30
10-3 10-2
10-1 1 а
10 Рс, мВт
10-3 10-2
10-
10 Рс, мВт
Рис. 3
1
1
1
а
1
1
а
1
б
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 2======================================
(рис. 3, б) (особенно при положительных расстройках): с ростом мощности сигнала внешнего воздействия вначале наблюдается уход по частоте fo, который затем сменяется стягиванием частоты fo к частоте сигнала внешнего воздействия.
В заключение следует отметить существенное различие представленных характеристик при различных токах ЛПД, что является важным дополнительным техническим материалом, особенно если синхронизируемый генератор выполняет какую-либо из ранее упомянутых функций в составе радиоаппаратуры.
Библиографический список
1. Хотунцев Ю. Л., Тамарчак Д. Я. Синхронизированные генераторы и автодины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1982. 240 с.
2. Фомин Н. Н. Синхронизация диодных генераторов СВЧ. М.: Связь, 1974. 72 с.
3. Каганов В. И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. М.: Радио и связь, 1981. 400 с.
Yu. I. Alekseev
Taganrog state university of radio engineering
Investigation a of Capturing Nonlinear Regime at Synchronization of the Microwave IMPATT Diode Generator
Nonlinear processes of changing main IMPATT diode generator's parameters at the synchronization by external harmonious signal are discussed.
IMPATT diode, synchronization, gain transfer characteristic, gain-frequency characteristic
Статья поступила в редакцию 10 июня 2004 г.
