Импульсный генератор надиоде Ганна с повышенной стабильностью выходных параметров

мающихся изучением свойств пьезокерамических изделий, а также в промышленных лабораториях производств, выпускающих датчики и исполнительные устройства на основе пьезокерамики.

Выводы

Разработан программно-аппаратный комплекс для исследования пьезокерамических элементов датчиков и исполнительных устройств с целью

определения их статических и динамических характеристик. Изучение свойств исследуемых объектов производится при различных параметрах внешних воздействий в ручном и автоматическом режимах. Разработанное программное обеспечение комплекса позволяет накапливать, обрабатывать и наглядно отображать получаемые результаты исследований, а также сохранять их в форме базы данных.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Глозман И.А. Пьезокерамика. - М.: Энергия, 1972. - 288 с.

2. Джигунов Р.Г., Борисюк А.М. Современные тенденции и направления развития пьезотехники. - Ростов-на-Дону: Книга, 1995. - Т 3. - С. 5-12.

3. Джогупов Р.Г., Ерофеев А.А. Пьезокерамические элементы в приборостроении и автоматике. - Л.: Машиностроение, 1986. - 256 с.

4. Пугачев С.И. Пьезокерамические преобразователи. - Л.: Судостроение, 1984. - 86 с.

5. Яффе Б., Кук К., Яффе Г. Пьезоэлектрическая керамика. - М.: Мир, 1974. - 288 с.

6. Пьезоэлектрическое приборостроение: 3 томах. Т. 3. Богуш М.В. Пьезоэлектрические датчики для экстремальных условий эксплуатации. - Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ, 2006. - 346 с.

7. Богуш М.В. Анализ и синтез пьезоэлектрических датчиков для вихревых расходомеров на основе пространственных электро-

термоупругих моделей: дис. ... д-ра техн. наук. - Ростов-на-Дону, 2009. - 266 с.

8. Программируемый по времени регулятор температуры ОВЕН МПР51. 2012. ИЯЬ: http://www.owen.ru (дата обращения: 13.01.2012).

9. Генератор функциональный АНР-3122. 2012. ИЯЬ:

http://www.aktakom.ru (дата обращения: 13.01.2012).

10. Четырехканальный осциллограф - приставка с гальваноразвязкой АСК-3117. 2012. ИЯЬ: http://www.aktakom.ru (дата обращения: 13.01.2012).

11. Филипас А.А., Подкуйко Е.В., Артеменко А.Н. Алгоритм программного обеспечения автоматизированного комплекса для исследования свойств пьезокерамики. Отраслевой фонд регистрации алгоритмов и программ. Номер разработки: 02069326.00154-019901 от 21.11.2007.

Поступила 13.01.2012 г.

УДК 621.373.52

ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР НАДИОДЕ ГАННА С ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ

В.П. Пушкарев, А.А. Титов, В.Д. Жарский*, В.П. Жирнов*, В.А. Кочумеев**, Д.Ю. Пелявин, И.В. Шухлов**

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники *ОАО «Радиоприбор», г. Владивосток **ОАО «Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов», г. Томск E-mail: TitovAA@rzi.tusur.ru

Приведено описание СВЧ генератора, состоящего из возбудителя и резонаторной камеры сустановленным в неё диодом Ганна 3А750Г. За счет оригинального схемотехнического решения системы стабилизации напряжения возбуждения диода Ганна удалось минимизировать влияние изменения дестабилизирующих факторов на характеристики генератора.

Ключевые слова:

Диод Ганна, СВЧ генератор, возбудитель, стабильность характеристик Key words:

Gunn diode, microwave generator, exciter, characteristic stability.

В системах ближней радиолокации и радионавигации широко используют генераторы на магнетронах с импульсной выходной мощностью в десятки ватт. Для замены этих генераторов предлагается СВЧ генератор на диоде Ганна, управляемый микроконтроллером, генерирующим импульсы ТТЛ-уровня. Генератор состоит из возбудителя и резонаторной камеры с диодом Ганна 3А750Г [1].

На рис. 1 приведена принципиальная схема возбудителя.

В состав возбудителя входят: самоуправляемый ограничитель на транзисторе УТ1; трехкаскадный импульсный усилитель на транзисторах УТ2, УТ4, УТ6; устройство управления амплитудой импульса возбуждения диода Ганна на транзисторе УТ5.

Ограничитель, реализованный на основе схемы [2], обеспечивает стабилизацию амплитуды и длительности импульсов на входе импульсного усилителя при многократном изменении амплитуды импульсов на входе возбудителя.

Рис. 1. Принципиальная схема возбудителя

Ограничитель работает следующим образом. На базу транзистора УТ1 со стабилизатора напряжения, состоящего из резистора К2 и стабилитрона УБ1, подается постоянное запирающее оба перехода транзистора УТ1 напряжение. В случае использования р-п-р транзистора, рис. 1, это напряжение положительное. При подаче на вход ограничителя импульсов положительной полярности, транзистор УТ1 будет заперт до тех пор, пока амплитуда указанных импульсов будет меньше запирающего напряжения, подаваемого на базу транзистора УТ1. При превышении амплитудой входных импульсов значения запирающего напряжения, транзистор УТ1 открывается, и его входное сопротивление будет составлять доли Ом. В этом случае транзистор УТ1 играет роль самоуправляемого ограничителя [3].

Делитель напряжения на резисторах Л1 и Л3 необходим для сохранения работоспособности ограничителя при работе от генератора с малым выходным сопротивлением. При отсутствии делителя, шунтирующее действие транзистора УТ1 будет уменьшаться с уменьшением выходного сопротивления генератора и может привести к выходу его из строя, либо выжиганию транзистора УТ1.

Экспериментальные исследования показали, что, при изменении амплитуды входных импульсов в пределах 2,5.15 В, амплитуда импульсов на выходе ограничителя изменяется в пределах 2,2.2,4 В.

Трехкаскадный импульсный усилитель на транзисторах УТ2, УТ4, УТ6 обеспечивает на выходе получение импульсов положительной полярности амплитудой до 50 В и током до 18 А. В каскадах на транзисторах УТ2, УТ4 использована последовательная отрицательная обратная связь по току (элементы Е7, Л12), обеспечивающая высокие технические показатели, не смотря на свою простоту [4]. Достоинством схемы является стабилизация характеристик усилителя, что позволяет исключить процесс его настройки.

Особенностью работы диодов Ганна является динамическое изменение их сопротивления в за-

висимости от мгновенного значения приложенного напряжения. Поэтому для стабильной работы СВЧ генераторов на этих диодах требуется возбудитель с выходным сопротивлением, составляющим десятые доли Ом. Для реализации указанного требования выходной каскад усилителя на транзисторе УТ6 выполнен по схеме с общим стоком с выходным сопротивлением не более 0,05 Ом. Каскад с общим стоком имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице. Он обладает высоким быстродействием, что позволяет обеспечить время установления фронта импульса усилителя не более 60 нс при работе на нагрузку с активным сопротивлением свыше 3 Ом.

Рабочие импульсные напряжения диодов Ганна типа 3А750Г индивидуальны и лежат в диапазоне

20.50 В. Поэтому на входе выходного каскада установлено устройство управления амплитудой импульсов возбуждения на транзисторе УТ5, реализованное по схеме [5].

Устройство управления амплитудой импульсов работает следующим образом. Напряжение стабилизации стабилитрона УБ4 выбирается равным амплитуде импульсов на выходе устройства управления. В исходном состоянии диод УБ3 закрыт. Поэтому постоянное напряжение, подаваемое со стабилитрона УБ4 на катод диода УБ3, не поступает на базу транзистора УТ5. При подаче на вход устройства управления импульсов, имеющих амплитуду меньше, чем значение постоянного напряжения на катоде диода УБ3, он остается закрытым. Транзистор УТ5 также закрыт. В этом случае импульс, подаваемый на вход устройства управления, беспрепятственно проходит на его выход и поступает на затвор транзистора УТ6. Резистор ЛІ3 необходим для ограничения предельного тока транзистора УТ5 при его открывании. При подаче на вход устройства управления импульсов, имеющих амплитуду, превышающую значение постоянного напряжения, установленного на катоде диода УБ3, последний открывается, и на базе транзистора УТ5 устанавливается напряжение, равное напряжению на катоде диода УБ3. Поэтому, как только

амплитуда импульса на выходе устройства управления станет равной напряжению на катоде диода УБ3, транзистор УТ5 открывается, препятствуя дальнейшему росту импульсного напряжения на затворе транзистора УТ6, поскольку напряжение на эмиттере транзистора УТ5 не может значительно превышать напряжения на его базе.

При нормальных условиях максимальная импульсная мощность диодов Ганна 3А750Г в рабочем диапазоне частот составляет 25 Вт [1]. Требуемая амплитуда импульса возбуждения для получения указанной мощности лежит в пределах

35.50 В. Однако СВЧ генераторы на диодах Ганна, работающих в режиме максимальной импульсной мощности, обладают большой нестабильностью частоты генерации и выходной мощности при изменении температуры окружающей среды. Экспериментальные исследования СВЧ генераторов на диодах Ганна типа 3А750Г показали, что минимизация нестабильности частоты генерации и выходной мощности, при изменении температуры в диапазоне ±50 °С достигается при выборе амплитуды импульса возбуждения в пределах 27.30 В. Использование стабилитрона УЛ4 обеспечивает указанный режим работы.

Важным достоинством применения устройства управления на транзисторе УТ5 является отсутствие спада плоской вершины импульса на выходе возбудителя при неизбежном присутствии спада на выходе усилителя, обусловленного наличием в его составе разделительных и блокировочных емкостей. Отсутствие спада обеспечивает стабилизацию частоты генерации диода Ганна в течении действия импульса возбуждения.

Изготовление и настройка возбудителя состоят из следующих этапов.

Печатная плата (рис. 2) размером 48x40 мм изготавливается из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1.2 мм. Для удобства изготовления печатной платы на рис. 2 показана миллиметровая сетка.

Рис. 2. Печатная плата возбудителя

На рис. 3 показано расположение элементов возбудителя. Пунктирной линией на рис. 3 обозна-

чены самые мелкие металлизированные отверстия, что необходимо для устранения паразитных резонансов и заземления нужных участков печатной платы.

Рис. 3. Расположение элементов возбудителя

Ток покоя транзистора УТ2 выбран равным 3 мА, транзисторы УТ4 и УТ6 при отсутствии сигнала закрыты. В центре печатной платы имеется контактная площадка-крепление, через этот контакт импульс возбуждения подается на генераторный диод Ганна.

На рис. 4 показан внешний вид возбудителя, поясняющий особенности его конструктивной реализации.

Рис. 4. Внешний вид возбудителя

Возбудитель практически не требует настройки. Подстройка коэффициента усиления импульсного усилителя сводится к подбору номиналов резисторов К! и К12.

Технические характеристики возбудителя:

• максимальное выходное

напряжение в импульсе ..................50 В;

• максимальный выходной ток

в импульсе .............................18 А;

• время установления

фронта импульса.......................60 нс;

• длительность управляющих

импульсов, не более...................1,5 мкс;

• полярность входных

и выходных импульсов..........положительная.

Резонаторная камера выполнена в виде волновода сечением 23x10 мм и длиной 50 мм. Генераторный диод устанавливается внутри волновода на расстоянии Я/4, либо 3А/4 от его закороченного края, где Я - длина волны генерируемого колебания.

Для настройки резонаторной камеры на частоту генерации диода Ганна и получения максимальной выходной мощности СВЧ генератора между диодом и закороченным краем волновода в широкую стенку волновода ввинчивается металлический винт, который фиксируется контргайкой.

На рис. 5 показан общий вид СВЧ генератора.

Рис. 5. Общий вид СВЧ генератора

Технические характеристики СВЧ генератора:

• амплитуда сигнала запуска ...........2,5.15 В;

• рабочий диапазоном частот ...........8.12 ГГц;

• длительность импульсов

запуска...........................0,1...1,5 мкс;

• длительность фронта генерируемых

радиоимпульсов, не более .................60 нс;

• скважность генерируемых

импульсов, не менее........................700;

• диапазон рабочих температур..............±50 °С;

• изменение СВЧ мощности

в диапазоне рабочих температур,

не более................................±0,5 дБ;

• нестабильность частоты

в диапазоне рабочих температур,

не более...............................0,5-10-3;

• напряжение источника питания ..............60 В;

• максимальное значение

потребляемого тока.........................0 мА.

Основными факторами нестабильности частоты генерации и выходной мощности генераторов на диодах Ганна, согласно [6], являются изменения напряжения возбуждения ивозб и температуры корпуса Т диода. Как показали исследования, относительный уход частоты на 1 В напряжения возбуждения рассматриваемого генератора составляет $іг(А///0)/А ивозб=1,7 • 10-41/В, изменение выходной мощности на 1 В составляет 5Р=АР/Ливозб=0,7 Вт/В, относительная температурная нестабильность частоты генерации равна S1=(Аf/f0)/АT=0,5•10-51/град. Эти характеристики качественно совпадают с результатами исследований [6] и позволяют рекомендовать СВЧ генератор для использования в системах ближней радиолокации и радионавигации.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственный контракт № 02.740.11.0514 от 15.03.10).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник / Б.А. Наливайко, А.С. Берлин, В.Г Божков и др.; под ред. Б.А. Наливайко. - Томск: МГП «РАСКО», 1992. -223 с.

2. Устройство защиты усилителя однополярных импульсов от перегрузки по току: пат. 2328818 Рос. Федерация.

№ 2007106285/09; заявл. 19.02.07; опубл. 10.07.08, Бюл. № 19. -715 с.

3. Титов А.А., Пушкарев В.П. Устройства управления амплитудой мощных импульсных сигналов // Электросвязь. - 2010. -№ 7. - С. 44-46.

4. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. -М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010. - 326 с.

5. Токбаева И.Ж., Титов А.А. Управление амплитудой мощных импульсных сигналов // Научная сессия ТУСУР-2011: Матер. докладов Всерос. научно-техн. конф. - Томск, 4-7 мая 2011 г. - Томск: Изд-во «В-Спектр», 2011. - Ч. 2. - С. 305-308.

6. Попов В.В. Стабилизация частоты генераторов на диодах Ганна миллиметрового диапазона длин волн // Известия вузов. Радиоэлектроника. - 2009. - № 1. - С. 67-71.

Поступила 12.12.2011 г.