CC BY
10Т
Электроника СВЧ
УДК 621.373
Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко, Т. В. Стребляченко
Технологический институт Южного федерального университета
Учет неизохронных свойств автогенератора на диоде Ганна при его синхронизации
Обсуждается влияние амплитудной зависимости реактивной составляющей проводимости диода Ганна на несимметричность амплитудно-частотной характеристики синхронизированного автогенератора.
Неизохронный генератор, амплитудно-частотная характеристика, синхронизация, диод Ганна
Известные [1]-[3] основные расчетные соотношения, позволяющие проводить предварительную оценку полосы синхронизации, а также всей амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) синхронизированного автогенератора, получены из условия изохронности колебаний автогенератора, подвергаемого синхронизации, и приводят, как правило, к симметричной АЧХ. Однако автор работы [3] рассматривает теоретические соотношения, показывающие неизбежную связь между частотой и амплитудой вынужденных (синхронизированных) колебаний, приводящую к асимметрии АЧХ.
Экспериментальные АЧХ синхронизированных автогенераторов, измеряемые при разработках последних, всегда несимметричны, поскольку отображают истинные нелинейные процессы, являющиеся следствием амплитудно-частотной конверсии, происходящей в сложном колебательном режиме синхронизации.
Целью настоящей статьи является получение зависимостей для теоретического расчета АЧХ, максимально приближающихся к экспериментальным (на примере автогенератора на диоде Ганна), что возможно только при корректном подходе к анализу причин нелинейных процессов в исследуемом автогенераторе, приводящих к искажению АЧХ.
Следуя [2], рассмотрим процесс синхронизации как подключение источника синхросигнала, характеризуемого полной проводимостью Ус = Gс + ]Вс и изменяющего эквивалентную проводимость, подключенную к отрицательной проводимости диода Ганна, и в частности ее реактивную часть, что, в свою очередь, совместно с амплитудно-зависимой реактивной проводимостью диода Вд вызывает изменение как амплитуды, так и частоты вынужденных колебаний.
Обобщенная амплитудная зависимость Вд для диодов Ганна сантиметрового диапазона имеет вид, показанный на рис. 1 [2]. В зависимости от амплитуды и СВЧ-напряже-ния, прикладываемого к кристаллу диода, могут реализоваться либо "мягкий" (малосигнальный), либо "жесткий" режимы, в соответствии с которыми частота синхронизируемо-
© Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В., Стребляченко Т. В., 2008
67
Вд, См
0.06
0.05
PolРс, ДБ
32
16
U1, В
Рис. 1
15.945 15.955 f0 15.965 Рис. 2
f, ГГц
го автогенератора при изменении амплитуды генерируемого сигнала отклоняется от частоты собственных колебаний f либо в одном направлении, либо в обоих направлениях. Возможные зависимости частоты генерации от мощности синхронизирующего сигнала f (Pq/Рс) качественно показаны на рис. 2, где Pq - мощность автоколебаний; Рс - мощность синхронизирующего сигнала. Таким образом, амплитудные зависимости Вд (Ui) и следующая за ней зависимость f (Ui) полностью определяют неизохронные свойства генератора на диоде Ганна, приводящие к асимметрии АЧХ.
На основании изложенного можно предложить методику определения АЧХ неизохронного автогенератора при его синхронизации. За основу следует принять соотношения для расчета АЧХ изохронного генератора, данные, например в [1], согласно которым на основе общепринятой эквивалентной схемы синхронизируемого генератора на диоде Ганна с циркулятором можно получить выражение для относительной полосы синхронизации Дш/шс (юс - частота синхронизирующего воздействия), близкое к известному выражению
при синхронизации изохронного генератора: Дю/юс « Ec/(QHU), справедливому если амплитуда синхронизирующей ЭДС Ес значительно меньше амплитуды собственных колебаний Uq , развиваемых на контуре генератора (QH - нагруженная добротность контура).
Для учета нелинейной зависимости Вд (Ui) в качестве аппроксимирующей функции можно использовать степенной полином. Для случая рис. i эту зависимость можно представить выражением Вд = ®q (Cq -ßU2), где ®q - частота собственных колебаний; Cq -емкость диода в отсутствие приложенного напряжения; ß - коэффициент аппроксимации
[3]. Имея зависимость Вд (Ui), можно оп-
Р0/ Рс, дБ
- 25 - 12.5 0 Рис. 3
12.5 Af, МГц
ределить, как изменится частота, на которой выполняется баланс фаз, при изменении амплитуды колебаний.
По описанной методике получена теоретическая АЧХ синхронизированного неизохронного генератора на диоде Ганна с частотой собственных колебаний /0 = 15.958 ГГц
0
0
2
4
и выходной мощностью P0 = 4 мВт, представленная на рис. 3 штриховой линией. Теоретическая АЧХ имеет существенную несимметричность, отображающую неизохронные свойства автогенератора. Корректно измеренная экспериментальная АЧХ (рис. 3, пунктир) удовлетворительно совпадает с теоретической, поскольку при расчете последней была учтена амплитудно-частотная конверсия, приводящая к изменению основных параметров - реактивной проводимости, амплитуды колебаний и частоты генерации, находящихся в жесткой связи с происходящим нелинейным процессом, что в прежних расчетах [1], [2] не учитывалось. Экспериментально исследовался автогенератор на диоде Ганна с волно-водной колебательной системой, возбуждаемой диодом 3А724А. На рис. 3 также показаны амплитудный уход частоты генерации Af (сплошная линия), являющийся основой для
расчета АЧХ неизохронного генератора, а также неизменное значение частоты, равное f (штрихпунктир), принимаемое обычно при упрощенных расчетах АЧХ.
Наличие несимметричной АЧХ при синхронизации автогенератора на диоде Ганна имеет важное значение, поскольку синхронизированные автогенераторы относятся к определенному классу усилителей. Практическое использование всей полосы синхронизации для усиления СВЧ-колебаний не представляется возможным вследствие уменьшения устойчивости, особенно на границах полосы синхронизации. Из АЧХ генератора с установившимся режимом синхронизации следует наличие гистерезиса, в результате которого вход в режим синхронизма и выход из него могут происходить при различных значениях частоты синхросигнала, причем несимметричность полосы зависит от уровня сигнала синхронизации1. Наконец необходимо учитывать, что амплитудные и амплитудно-частотные характеристики синхрогенератора существенно зависят от качества параметров цир-куляторов (при разработках синхрогенераторов, как правило, предпочтение отдается схемам отражательного типа). Отклонение характеристик реальных циркуляторов от идеальных (неидеальное согласование плеч, наличие прямых потерь, ограниченное обратное затухание, произвольное изменение импеданса за пределами рабочей полосы частот) может также привести к уменьшению полосы синхронизации (усиления), значительной изрезан-ности АЧХ в полосе усиления, возбуждению паразитной генерации. Упомянутые недостатки циркуляторов могут обусловить ухудшение качества выходных сигналов, возникновение гармоник повышенного уровня и комбинационных частот.
Представленный материал подтверждает актуальность вопроса о необходимости расчета АЧХ синхронизируемых твердотельных автогенераторов с представлением последних как автоколебательных систем неизохронного типа.
Библиографический список
1. Quine J. P. Injection phase-locking characteristics of lsa-mode transferred-electron oscillators // Proc. of the IEEE. 1969. Vol. 57, № 4. P. 715-717.
2. Давыдова Н. С., Данюшевский Ю. З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М.: Радио и связь, 1986. 184 с.
3. Андреев В. С. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Радио и связь, 1982. 280 с.
1 Для СВЧ-усилителя аналогичные процессы имеют место при изменении частоты входного сигнала.
Y. I. Alekseev, A. V. Dem'yanenko, T. V. Streblyachenko Technology institute of South federal university
Anisochronal properties of Gunn self-oscillator accounting during its synchronization
Influence of amplitude dependence of reactive component of Gunn diode conductivity on asymmetry of synchronized self-oscillator frequency response function is discussed.
Untapered oscillator, amplitude-frequency characteristic, synchronization, Gunn diode
Статья поступила в редакцию 8 марта 2008 г.
УДК 621.372.8
Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко
Технологический институт Южного федерального университета
| Твердотельный многофункциональный оптоэлектронный модуль
На основе анализа положения дел в области СВЧ-модуляции оптических колебаний предлагается разработка нового прибора электронной техники, объединяющего функции генерации несущего и поднесущего колебаний.
СВЧ-Модуляция, оптический передающий модуль, оптический диапазон
С появлением инжекционных полупроводниковых лазеров (ИПЛ) - эффективных источников излучения, вырабатывающих электромагнитную энергию в оптическом диапазоне длин волн, возникла реальная возможность проведения миниатюризации систем
передачи и обработки информации, работающих на частотах 1014 Гц и более. Модуляция несущего колебания в таких источниках связана со значительными трудностями инженерного характера, что подтверждалось при применении различных способов модуляции светового луча до тех пор, пока не была исследована возможность использования для целей модуляции различных полупроводниковых материалов и устройств на их основе. Уже первые работы с полупроводниковыми материалами показали, что эффективная модуляция
ИПЛ возможна частотами поднесущего колебания 1010 Гц и более. Современное состояние твердотельной лазерной техники позволяет говорить о частотах модуляции до 30 ГГц, что подтверждается многочисленными экспериментальными и теоретическими исследованиями [1]. Таким образом, открывается возможность инженерной разработки оптических СВЧ-модуляторов и обеспечения тем самым радиопередающих устройств оптического диапазона основной элементной базой.
В процессе исследования технических путей реализации эффективной модуляции ИПЛ СВЧ-сигналами различных диапазонов установлено, что при этом действуют следующие основные механизмы модуляции [1]:
• изменение концентрации свободных носителей;
• изменение подвижности свободных носителей;
• внутризонное поглощение в полупроводнике;
• сдвиг спектральной границы поглощения.
70 © Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В., 2008
