CC BY
30======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 1
Электроника СВЧ
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Полоса затягивания автогенератора на диоде Ганна при стабилизации внешним объемным резонатором
Проводится экспериментальный анализ зависимости полосы затягивания частоты колебаний автогенератора на диоде Ганна, стабилизированного внешним объемным резонатором по схеме с реактивной связью.
Диод Ганна, СВЧ-генератор, стабилизация
Генераторы СВЧ, разрабатываемые на основе твердотельных активных элементов (диодов Ганна, лавинно-пролетных диодов) получили широкое распространение в современной СВЧ-технике в силу известных преимуществ по сравнению с вакуумными аналогами. Однако упомянутым диодам присущи и недостатки, основным из которых является повышенный уровень амплитудных и частотных шумов, что отрицательно сказывается на стабильности частоты генерации, поскольку шумовые процессы в автогенераторе являются одной из разновидностей дестабилизирующего воздействия [1]. Современными низкоомными (особенно в рабочих частотных диапазонах) генераторными диодами шунтируются колебательные системы генераторов, что резко снижает их нагруженную добротность и приводит к повышенной частотной нестабильности генераторов, не позволяющей применять их в качестве задающих генераторов или гетеродинов в радиотехнической аппаратуре достаточно высокого класса.
В этой связи меры по дополнительной стабилизации частоты генерации для твердотельных генераторов являются обязательными. Среди известных мер [2] наибольшее распространение получила стабилизация внешним объемным резонатором в связи с простотой технической реализации, с одной стороны, и возможностью создания автономной стабилизированной генераторной системы - с другой*. Генераторы, стабилизированные внешним резонатором, позволяют понизить частотные шумы в среднем на 30...40 дБ относительно частотного шума нестабилизированного генератора [1].
В настоящей статье описывается только часть комплекса исследований, проводимых обычно при экспериментальном анализе генератора СВЧ, стабилизированного внешним объемным резонатором: определение полосы затягивания частоты генерации и ее зависимости от первичного параметра - напряжения питания генераторного диода.
* Альтернативный подход - стабилизация синхронизацией внешним высокостабильным сигналом - превращает систему в неавтономную и приводит к техническим сложностям, связанным с вводом синхросигнала в генератор.
© Ю. И. Алексеев, 2004
73
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 1======================================
Исследуемый генератор (рис. 1) содержит диод Ганна 1, захваченный с двух сторон цанговыми зажимами (диодными держателями) 2, 3; размещен в собственной колебательной системе, образованной короткозамкнутым отрезком волновода сечением 23 х10 мм 4 и связанной с внешним стабилизирующим цилиндрическим объемным резонатором 6 через круглое отверстие 5 диаметром 8.8 мм. Стабилизирующий резонатор перестраивается поршнем 7, в теле которого имеется канавка 8, заполненная поглощающим СВЧ-материа-лом для повышения коэффициента короткого замыкания поршня. Он включен в торцевую часть собственного резонатора генератора, образуя таким образом общую колебательную систему, соответствующую схеме "на отражение". Штыри связи с нагрузкой 9 и слюдяной блокировочный конденсатор по цепи питания генераторного диода 10 являются вспомогательными элементами конструкции исследуемого генератора.
Частота собственных (нестабилизированных) колебаний генератора, определяемая резонансной частотой его колебательной системы, азимутальной ориентировкой диода в генераторной камере и диапазоном электронной настройки, находилась в пределах 12.41... 12.50 ГГц.
Среди технических решений подключения стабилизирующего резонатора к активной колебательной системе широкое распространение получили схемы с реактивной связью, когда активный и стабилизирующий резонаторы обмениваются энергией через элемент связи, представляющий в эквиваленте индуктивность (например, индуктивная диафрагма с отверстием 5 (рис. 1)). Генераторы, стабилизированные по этой схеме, имеют высокую стабильность частоты генерации, а соответственно, и низкий уровень частотных шумов [1]. Однако следует отметить существенный недостаток таких генераторов - неоднозначность настройки системы (рис. 2).
Поскольку исследуемая колебательная система двухконтурная (активный и стабилизирующий резонаторы), ее настройка состоит в принудительном изменении частоты автоколебаний генератора изменением резонансной частоты стабилизирующего резонатора, т. е. в получении "кривых затягивания" частоты генерации при различных условиях.
Результаты экспериментального исследования генератора представлены на рис. 2. До захвата генератор работает на частоте собственных колебаний /г с. При перестройке стабилизирующего резонатора на начальной частоте /н з возникает захват частоты генератора и
Рис. 1
fr,
f 'l\ с
======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 1
ее стабилизация в пределах полосы затягивания А/3. На рис. 2 стрелками показаны
динамика затягивания частоты автогенератора, управления частотой стабильных колебаний и появление в автоколебательной системе скачкообразного изменения частоты. Скачок объясняется тем, что исследуемая двухконтурная система описывается
Рис. 2
уравнением, имеющим три вещественных частотных корня, определяющих при критическои величине связи между контурами возможность скачкообразного изменения частоты генерации [2]. При обратной перестройке скачок происходит на частоте генерации, отличающейся от начальной частоты затягивания, т. е. процесс имеет гистерезисный характер. Таким образом, эксперимент по управлению стабилизированной частотой автоколебаний выявляет два дополнительных параметра настройки - полосу затягивания частоты А/з и "полосу гистерезиса" А/г, которые необходимо знать для квалифицированной настройки исследуемой системы. Эти параметры показаны на рис. 2, а их значения приведены в таблице.
Uo, В fr. с, ГГЦ fH. з, ГГЦ А/З, МГц А/Г, МГц
7.5 12.446 12.403 109 18.1
8.0 12.495 12.418 132 43.0
8.5 12.458 12.372 145 62.0
9.0 12.410 12.376 80 44.0
9.5 12.401 12.367 85 49.0
В
Рис. 3
Динамика изменений А/з и А/г в зависимости от первичного параметра системы - напряжения питания диода Ганна Uо - показана кривыми на рис. 3. Несмотря на то, что графики рис. 3 получены в относительно ограниченных пределах напряжения питания диода (7.5...9.5 В), можно видеть сильное влияние питающего напряжения на полосы А/з и А/г. Причиной такого влияния являются импедансные свойства диодов Ганна - сильная зависимость емкости кристалла диода от приложенного к нему напряжения. Использование графиков рис. 3 позволяет провести оптимальную настройку стабилизируемого автогенератора, обеспечивающую его устойчивую работу.
В заключение следует отметить, что в исследуемом генераторе в качестве стабилизирующего применен цилиндрический резонатор, использующий волну Н013, собственная добротность которого находилась в пределах (25...50)-103 . Выходная мощность генератора без стабилизации частоты составила 28 мВт, в стабилизированном состоянии -12 мВт; потери на стабилизацию равнялись 3.7 дБ.
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2004. Вып. 1
Библиографический список
1. Царапкин Д. П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1982. 112 с.
2. Бычков С. И., Буренин Н. И., Сафаров Р. Т. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. М.: Сов. радио, 1962. 376 с.
Ju. I. Alekseev
Taganrog state university of radioengineering
Strip of a Tightening of the Gunn Diode Oscillator with Stabilization by the External Volumetric Resonator
The experimental analysis of dependence of a tightening strip of Gunn oscillator fluctuations frequency stabilized by the external volumetric resonator under the circuit.
Gann diode, UHF-generator, stabilization
Статья поступила в редакцию 27 февраля 2004 г.
УДК 621.373
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Импеданс серийного лавинно-пролетного диода миллиметрового диапазона
Приводятся результаты расчета полного сопротивления серийного лавин-но-пролетного диода миллиметрового диапазона, удовлетворительно совпадающие с экспериментальными исследованиями импеданса. Показана целесообразность проведения расчетов импеданса вместо постановки громоздких экспериментальных работ по его измерению.
Лавинно-пролетный диод, импеданс, расчет
Экспериментальные исследования импедансных свойств любых генераторных диодов (лавинно-пролетных диодов (ЛПД), диодов Ганна, туннельных диодов) представляют собой сложные измерения на СВЧ и требуют обязательного создания специальных измерительных камер, построенных таким образом, чтобы их собственные характеристики мало влияли на измеряемый импеданс. Данная непростая техническая задача еще более усложняется необходимостью создания таких условий включения диода в камеру, при которых он был бы управляем и не возбуждался произвольно [1], [2]. В этой связи предпочтение, безусловно, может быть отдано теоретическим расчетам импеданса, если они дают хорошо совпадающие с экспериментальными результаты. В настоящей статье рассматривается пример расчета импеданса серийного ЛПД типа 2А717А, причем известные расчетные соотношения [1], [3], [4] дополняются, с одной стороны, паспортными параметрами диода, а с другой - дополнительной технической информацией, позволяющей проводить расчет импеданса ЛПД в любой точке его рабочего частотного диапазона.
76 © Ю. И. Алексеев, 2004
