Определение параметров перестройки частоты полудискового диэлектрического резонатора Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Висновки

В даній роботі запропонована альтернативна модель генерації переваг. Вона базується на модифікованій

моделі Колмогорова та моделі динаміки переваг в рамках суб’єктивного аналізу. Такий підхід відкриває нові можливості для моделювання активних систем. Деякі результати були вже представлені на початку роботи.

Література

1. Бурков, В. Н. Теория активных систем: состояние и перспективы [Текст] / В. Н. Бурков, Д. А. Новиков. - М. : Синтег, 1999. - 128 с.

2. Новиков, Д. А. Курс теории активных систем [Текст] / Д. А. Новиков, С. Н. Петраков. - М. : Синтег, 1999. - 104 с.

3. Новиков, Д. А. Механизмы управления динамическими активными системами [Текст] / Д. А. Новиков, И. М. Смирнов, Т. Е. Шохина. - М. : ИПУ РАН, 2002. - 124 с.

4. Касьянов, В. А. Субъективный анализ [Текст] / В. А. Касьянов. - К. : НАУ, 2007. - 512 с.

5. Касьянов, В. А. Моделирование полета [Текст] / В. А. Касьянов. - К. : НАУ, 2004. - 400 с.

6. Jaynes, E. T. Information Theory and Statistical Mechanics [Text] / E. T. Jaynes // Phys. Rev. - 1957. - №4. - P. 620-630.

7. Кононюк, А. Е. Информациология. Общая теория информации [Текст] / А. Е. Кононюк. - К. : Освита Украины, 2011. - 412 с.

------------------□ □--------------------

Визначені загальні закономірності варакторной перебудови частоти висо-кодобротних резонаторів, отримані результати використовуються для розрахунку резонаторів різної геометрії Ключові слова: варактор, резонатор, перебудова, діод

□------------------------------------□

Определены общие закономерности варакторной перестройки частоты высокодобротныхрезонаторов, полученные результаты используются для расчета резонаторов различной геометрии Ключевые слова: варактор, резонатор, перестройка, диод

□-----------------------------------□

The general regularities of the varacto-ring re-erecting of frequency ofhigh-Q resonators are certain, the received results are used for calculation of resonators of various geometry

Keywords: varactor, resonator, re-erecting, diode

------------------□ □--------------------

УДК 614.89:537.868

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ПОЛУДИСКОВОГО ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА

Н.П. Кунденко

Кандитат технических наук, доцент Кафедра «Интегрированные электротехнологии и

процессы»

Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. П. Василенко ул. Артема, 44, г. Харьков, Украина, 61002 Контактный тел.: (057) 712-28-33, 067-743-77-76 E-mail: n.p.kundenko@inbox.ru

1. Введение

Точность измерений диэлектрической проницаемости (ДП) зависит от стабильности частоты генератора и добротности измерительного резонатора. Аппаратура, предназначенная для измерения изменений диэлектрических параметров жидкости должна обеспечивать не только необходимый уровень подводимой мощности и частоты сигнала, но и удовлетворять высоким требованиям по стабильности частоты, степени подавления дискретных составляющих в спектре выходного сигнала, габаритам, надежности, экономичности и сроку службы. Отсутствие источников колебаний КВЧ диапазона,

удовлетворяющих вышеизложенным требованиям, выдвинуло необходимость создания такого источника. Создание частотно стабилизированных генераторов с электрической перестройкой частоты основано на применении высокодобротных резонаторов, собственная частота которых управляется регулируемой ёмкостью варакторного диода [1, 2].

2. Основные материалы исследования

Рассмотрим варакторную перестройку частоты по-лудискового диэлектрического резонатора на основе электродинамической модели, учитывающей геоме-

иаг_

трию резонатора и его связь с волноводными сочленениями. Рассматриваемая конструкция волноводно-ре-зонаторной цепи представлена на рис. 1. Полудисковый стабилизирующий резонатор 1 радиусом Я размещён на металлическом зеркале 2 и связан с волноводами 3 и 4 размерами а= 3.6мм, Ь= 1.8мм прямоугольными щелями связи 5 с размерами Ь1 и Ь2. Варактор 6 размещён в центре широкой стенки волновода, на расстоянии 1г от резонатора; на расстоянии 1р от варактора размещён короткозамыкающий поршень 7.

тами связи Р1 (при Ь2 = 0 ) и Р2 (при Ь = 0 ) с волноводами 3 и 4 соответственно, причем

Р,=Яч

н, ,

где Ъх -

(2)

волновое сопротивление прямоугольного П 2 X

волновода Щ = 1,2); = £)п—--*-.

2 х

Эквивалентная схема варактора в волноводноштыревой секции представлена на рис. 3. Клеммы 3-3 и 4-4 соответствуют сечению штыря в волноводе. Параметры L1,C1,C2,Cs,Ls,п описывают индуктивный штырь с емкостным зазором в прямоугольном волноводе [3]; параметры Ск и Lk - емкость и индуктивность корпуса варактора соответственно. Предполагается, что сопротивление потерь варактора не зависит от напряжения смещения и.

Рис. 1. Конструкция перестраиваемого варактором полудискового резонатора

Связь резонатора с волноводами осуществлялась прямоугольными зауженными щелями 5, широкие стенки которых ориентированы параллельно радиусу резонатора Я . Такой вариант связи представлен эквивалентной схемой, в которой реактивности связи X, (і = 1,2) включаются последовательно (рис. 2).

Рис. 2. Эквивалентная схема последовательного включения варактора в резонатор

Здесь ZVC - импеданс варакторной секции, приведенный к клеммам 2-2; п - идеальные трансформаторы; ZP -входной импеданс короткозамкнутого отрезка волновода на клеммах а - Ь определим соотношением

ю ю„

2р =^ + jx(------------------0),

а,

ю

(1)

где X = -

Л„

2

; Л03 = Л3(Ю0); Х0 = Х(ю0 ).

Параметры эквивалентной схемы для резонатора прямоугольного сечения и для резонаторов круглого сечения определены в [3].

Резонатор характеризуется собственной добротностью Ц0, резонансной частотой ю0 и коэффициен-

Рис. 3. Эквивалентная схема варактора в волноводноштыревой секции

Перестройка частоты генератора осуществлялась варактором типа. 3А639 В со следующими параметрами: коэффициент перекрытия по емкости

Ку = Су(0)/Су(итаЕ) =; = 2.8

фк = 0.7В; Lk = 0.2 нГм; Су = 0.06 - 0.14пФ;

Я = 0.50м;Ск = 0.1пФ ; добротность диода (и0Ер=-би) Цу = 3000.

Рассеиваемая непрерывная мощность на варакторе Ру =10-15мВт. Качество варактора характеризуется постоянной времени т = Я5Су(0) .

В ар а к т о р н а я п е р е с т р о й к а р е з о н ат о р а х а р а к-теризуется относительной шириной перестройки дю± /ю0 , минимальными и максимальными величинами собственной добротности а±тіп, а±тах, фазовым расстоянием между варактором и поршнем ф±р = 2п1р /Л2 = ф0 +дф ,где ф0 = кп;дф « п . Индексы «+» и «-» относятся к двум частотам Вина.

Анализ [4] показал, что потери мощности на стабилизацию частоты на кривой ю+ меньше чем на кривой ю_ . Поэтому нами проведены расчеты только для частот ю+.

В связи с нелинейной зависимостью Су(и) характеристики перестройки эквивалентного резонатора ю+(и) также нелинейны. Как показывают расчеты, линеаризация функции ю+ (и) возможна при опреде-

2

0

ленных условиях. Область параметров на плоскости (Р2Д2) , в которой возможна линеаризация перестройки резонансной частоты в полосе дю+ / ю0 = 0.15%, с коэффициентом нелинейности

юу(Ш-юр

8(и) = ---р;

С (и)=

Су(Ц)СЕ Су(и) + Се

Тх = LE + LK + L2•; а = Z2/ юрТхЦ0 -эквивалентный

ц = 2

,аю+, dши аю+, аю, , ао/оч

(dU 1и=0 ЛТТ 1иша,)^ ТТ 1и=0 ^ТТ1и=и„а,)1 < 0.3 (3)

аю+

"аи

аю+

аи

аю

аи |

представлена на рис. 4. (заштрихованная область). Линейность функции ю+ (и) может быть достигнута путем реализации на клеммах 5-5 (рис. 3) резонанса в цепи варактора с применением короткозамы-кающего поршня.

Анализ показывает, что ряд особенностей реальных систем принципиально важен при рассмотрении варакторной перестройки. Так, например, дисперсия волновода варакторной секции оказывает существенное влияние на полосу перестройки и ее линейность. Импеданс варакторной секции ZуC (рис. 3) можно представить в виде:

1

^С = КуЕ + ХюТЕ 7^~) ,

юС

где

т = ^Фр% ; С

ЬЕ “ 2 ’ Е “

^Ф0ХЮп ’

• х=-

1 -

= ^1 -(21р /хкр)2; ZуE = Zу + jю(Lk + Т2 - С1);

Хп = Х(юп ); с - скорость света в вакууме; Хкр - критическая длина волны в волноводе (Хкр = 20 ).

п 00 о )0

юо

200

300

Z Ом

Рис. 4. Область возможной линеареализации перестройки

Частота Вина системы резонатор-варакторная секция определяется соотношением

ю+ (и) = ю° [2 + 8(и) + 7^) + а],

с учетом реактивностей связи Х1 и Х2.

В реальных волноводных системах выполняются условия СЕ « Су(и);ТЕ » Тк + Т2 и из приведенных соотношений следует, что дисперсия оказывает существенное влияние на полосу варакторной перестройки и на ее линейность. Критичность настройки резонатора на заданную полосу дю+ определяются величиной параметра связи а = 2Р2 / Ф0%Ц0 и уменьшаются при ее увеличении.

Численные результаты показывают, что для заданной величины Z2 компенсация нелинейности перестройки достигается при вполне определенных значениях связи.

Из соотношения (5) можно определить полосу перестройки частоты с заданным коэффициентом нелинейности ц при выполнении условия:

(4)

2 + п

2-П

(6)

^ 2Ку - 1Ц0 где F = —--------—

2 Ф0Х

1

Z2ЮpCу(Uo

из (6) следует, что для лианеризации перестройки частоты целесообразно уменьшение волнового сопротивления варакторной секции Z2, а также параметра дисперсии х поскольку при этом возрастает величина оптимальной связи Р2 и уменьшается критичность ее выбора.

На рис. 5 приведены характеристики дю+ (и)/ю0 для случая применения дополнительного резонансного контура с добротным варактор-ным диодом ( Цу = 3000 ). Из расчетов следует, что критичность настройки резонансной системы на линейность возрастает при увеличении добротности варакторной секции.

Ам/Ор, %

О 15

0 1

0.05

О

181.4" 1(2® /

180,2°. / Ж О'

1 Г ''Ч" 186*

/

5 1 0 15

(5)

где

Рис. 5. Зависимости нормированной полосы перестройки от напряжения смещения на варакторе при включении его в варакторную секцию с короткозамыкающим поршнем

( Z2 = 360 Ом, Р2 = 1,5 )

р

2

1

п

(1

На рис. 6 показано изменение дю+ / ю в зависимости от Р2 приЦ+т1П / Ц = 0.5 без учета (кривая 1 и кривая 2) зависимости собственной добротности резонатора от величины связи Р2 (см. рис. 1). Видно, что имеется оптимальная связь, при которой полоса перестройки максимальна.

0,20

0,15

0,10

До)_/<в01 %

0,05

r 1

2

QflQ o' II .

1 Р:

Рис. 6. Зависимость нормированной полосы электронной перестройки от величины Р2 без учета(кривая 1) и с учетом (кривая 2) зависимости Ц0(Р2) при Ц+т1П = Z2 = 360 Ом

Зависимости собственной добротности резонатора от полосы перестройки для различных величин Ц0 представлены на рис. 7.

Видно, что выбор требуемой полосы перестройки необходимо проводить с учетом величины собствен-

ной добротности Ц0. Для увеличения полосы перестройки необходимо применение резонаторов с меньшими величинами собственной добротности Ц0.

7

сгмо

V-e. II о о о

5000

N<40' 30 "3000

AoWto,,, %

0

0-1 0.2 0.3

Рис. 7. Зависимость минимальной в полосе перестройки собственнойдобротности от нормированнойполосы ДЮ / ю0 при Z2 = 360 Ом

3. Выводы

На основе анализа эквивалентной схемы определены общие закономерности варакторной перестройки частоты высокодобротных резонаторов. Полученные результаты применимы для расчета резонаторов различной геометрии с различными типами возбуждаемых волн.

Литература

1. Ильченко, М.Е., Диэлектрические резонаторы. [Текст] /Ильченко М.Е., Взятышев В.Ф., Гасанов Л.Г. и др. - М.: Радио и связь. 1989. - 328 с.

2. Ильченко М.Е., Теория диэлектрических резонаторов. [Текст] /Ильченко М.Е., Трубин А.А. - Киев: Либщь, 1993. - 214 с.

3. Ersehart R.L. Teoreetical and experimental analisis of a waveguide mounting structure. IEEE Trans. 1971, MTT-19, No.8, pp. 706709.

4. Isao Haga A. Reflection type cavity controlled oscillator and a cavity controlled freguensy modulator. Nec Research and Devolupm-ent. 1975, No. 36, january, pp. 75-100.