ГЕНЕРАТОР СВЧ

ГЕНЕРАТОР СВЧ
Полезная модель относится к технике радиосвязи, может быть использована в предварительном или выходном каскаде передатчика радиолинии с большой пропускной способностью, соединяющей узловые пункты наземного или спутникового сегментов широкополосной цифровой сети интегрального обслуживания.
Известны генераторы СВЧ, электрически перестраиваемые по частоте с помощью варикапа - полупроводникового диода с изменяемой напряжением емкостью, в которых частота изменяется путем перестройки варикапом резонансной частоты колебательного контура, электрически связанного с генераторным диодом Ганна и варикапом / Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна.- М.: Радио и связь. 1982. с. 81./. В таких генераторах резонатор создает условия для возбуждения достаточно стабильных гармонических колебаний на частоте вблизи его резонанса, обеспечивает отсутствие взаимодействия диода Ганна с внешней цепью на высших гармониках и многочисленных побочных модах колебаний СВЧконструкции
генератора и трансформирует сопротивления нагрузки в оптимальное по уровню мощности колебаний значение импеданса на контактах диода. Последнее особенно важно для волноводных конструкций генераторов, так как в этом случае перепад сопротивлений резонатора и диода особенно велик. Иными словами, осуществляемая резонатором привязка реального генератора к определенной частоте позволяет существенно ограничить большое число факторов, влияющих на характеристики генератора в СВЧ колебательной системе. Кроме этого, практически только в этом случае удается построить процедуру инженерного расчета генератора в аналитической форме, основанную на нредставлениисложной
колебательной системы СВЧ генератора в виде одиночного эквивалентного контрура.
Однако применение резонатора приводит к ограничению скорости перестройки частоты генератора. При переключении частоты какимлибо способом колебания прежней частоты продолжают действовать в резонаторе в течение количества нериодов, численно равного, в первом приближении, его нагруженной добротности. Одновременно, и за такое же время, в резонаторе устанавливаются колебания новой частоты. Это справедливо при малом коэффициенте включения кристалла диода Ганна в контур, эквивалентный резонатору, что всегда имеет место в волноводных конструкциях генераторов на полупроводниковых диодах. Дляобеспечения указанных выше функций резонатора добротность
резонатора должна быть не менее 50 /Царанкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна.-М. Ргщио и связь. 1982. С. 81./. Поэтому минимальное время переключения частоты генератора с резонатором не может быть меньше 5 не нри частоте колебаний 10 ГГц. Тогда максимальная частота модуляции и частотное отклонение составляют 100 МГц и 200 МГц, соответсвенно, т.к. индекс модуляции равный 2, обеспечивает приемлемые полосу частотного спектра и пороговое отношение сигнал/шум. Отсюда получается предельная скорость перестройки 40 МГц/не или 40 ГГц/мкс. В реальных конструкциях достигается скорость перестройки 1 - 2 ГГц/МКС /Царапкин Д.П./ из-за дополнительной задержки на время установления нового равновесного состояния во взаимодействии кристалла  Ганна с резонатором.
Кроме того, в генераторах гармонических колебаний, перестраиваемых по частоте варикапом, имеет место существенное снижение мощности генератора при расширении полосы перестройки частоты. Так как для расширения полосы необходимо увеличивать связь (коэффициент включения) варикапа, вносящего дополнительные потери, с контуром, то для сохранения минимальной добротности контура при этом требуется уменьшать связь контура с диодом и нагрузкой, что приводит к снижению кпд и выходной мощности генератора.
Примеры конструктивной реализации перестраиваемых по частоте генераторов гармонических колебаний на диодах Ганна нриведаны в работе / Царапкин Д.П. /. Все они содержат высокодобротный колебательный контур в виде объемного резонатора, образованного закороченным с одной стороны отрезком прямоугольного волновода. В том же отрезке волновода устанавливаются диод Ганна и варакторный диод (варикап) либо в одном сечении (случай сильной связи варикапа с контуром), либо в различных сечениях волновода, разнесенных на определенное расстояние. Связь резонатора с диодом Ганна определяется выбором точки включения кристалла диода, а связь диода с нагрузкой осуществляется через трансформатор импеданса, подключенный к другому концу волновода.
Известен СВЧ гене1жтор на диодах Ганна /Bhattacharya К, А four diode power combiner, IEEE Тг, МТТ-34, No 11, 1986./, в котором сложение мощности двух пар диодов осуществляется в общем резонаторе, который представляет собой прямоугольный волновод, короткозамкнутый с одной стороны и связанный с нагрузкой через диафрагму. Диоды калсдой пары связаны друг с другом коаксиальной линией, центральный проводник которюй в средней его части прюходит через волновод резонатора параллельно и вблизи узкой стенки волновода, причем пары диодов включены вблизи противоположных стенок волновода в одной плоскости поперечного сечения волновода. Пагруженная добротностьрезонаторадля обеспечения стабильности параметров
колебаний не должна быть ниже 40 /Bhattacharya К/, поэтому для такой схемы генератора остаются в силе ириведенные выше соображения об ограничении скорости перестройки частоты.
Обобщенная структура (фиг. 1) известных генераторов СВЧ, электрически перестраиваемых по частоте, имеет следующие признаки: высокодобротный р юнатор 1, обеспечивающий возбуждение
стабильных гармонических колебаний на частоте его резонанса, подключен к генераторному нолупроводниковому диоду Ганна 2 с одной стороны, с другой стороны подключенному к линии передачи 3, соединенной другим выходом с варикапом 4, изменение емкости которого нутем изменения напряжения на нем приводит к изменению частоты генератора. Электрическая длина и волновое сопротивление линии 3 выбираются в зависимости от требуемой полосы перестройки частоты и допустимого снижения кпд и мощности генератора. С другой стороны к варикану 4 подключена линия передачи 5,связаннаячерез
согласующий трансформатор импеданса 6 с нагрузкой генератора 7. К диоду Ганна 2 подключен также дроссель 8, являющийся элементом первого фильтра нижних частот 9, через который подается напряжение питания па диод Ганна. К варикапу 4 подключен также дроссель 10, являющийся элементом второго фильтра нижних частот 11, через который на варикап подается модулирующий информационный сигнал с постоянным напряжением смещения. Кроме дросселей оба фильтра нижних частот могут содержать индуктивности, емкости и сопрютивления, количество которых и схема соединений определяется требуемой степенью фильтрации СВЧ колебаний. Резонатор выполняет функцию стабилизации частоты колебаний и исключает влияние на генераторный диод побочных резонансов колебательной системы и ее импеданса на высших гармониках, поэтому потери, вносимые на резонансной частоте со стороны варикапа и нагрузки не должны снижать нагруженную добротность резонатора ниже некоторого предела. Этот предел ( 50 ) ограничивает максимальную скорость перестройки частоты значением 40 МГц/не.
В рассмотренных схемах электрически перестраиваемых по частоте СВЧ генераторюв скорюсть перестройки частоты недостаточна для перспективных радиосистем связи, поскольку для передачи больших потоков информации между узловыми станциями широкополосной сети связи интегрального обслуживания требуется скорость передачи не менее 1 ГГб/с, т.е. переключение частоты должно происходить за время, меньшее 1 не с девиацией частоты не менее 1 ГГц для исключения избыточности в ширине спектра и в величине порогового отношения сигнал/шум при детектировании, т.е. скорость нерестройки частоты должна быть больше 1 ГГц/НС.
Задачей полезной модели является увеличение скорости перестройки частоты СВЧ генератора без существенного снижения его кпд и мощности для удовлетворения требованиям к радиолиниям с большой пропускной способностью.
Перечисленные условия обеспечиваются в предлагаемой схеме генератора СВЧ, содержащего диод Ганна, через линию передачи связанный с варикапом, согласующий трансформатор импеданса, связанный выходом с нагрузкой, первый и второй фильтры ниткних частот, дроссели которых связаны с варикапом и диодом Ганна, о т л и ч а ю щ е и с я тем, что содержит второй диод Ганна, через аналогичную вторую линию передачи связанный с варикапом и дросселями фильтров нижних частот, а согласующий трансформатор связан входом через
третью линию передачи с варикапом причем длины L1 первой и L2 второй линий передачи равны и составляют Х/8 , а длина L3 третьей линии передачи выбрана из условия X/4  L3 ;1/2 , где Л - длина волны, согласующий трансформатор выполнен в виде однорезонаторного полосового широкополосного фильтра, согласованного с третьей линией передачи на основной частоте и имеющего индуктивное входное сопротивление на частоте второй гармоники.
При таком построении генератора СВЧ обеспечиваются условия возбуждения па диодах Ганна стабильных релаксационных колебаний, мощность первой гармоники которых без существенного отра кения проходит по третьей линии передачи через однорезонаторный фильтр в нагрузку , а переключение (перестройка) частоты осуществляется главным образом за счет регулирования амплитуды и фазы второй гармоники частоты в точках включения диодов Ганна посредством электрического управления емкостью варикапа. Изменение емкости варикапа более эффективно изменяет режим колебаний в первой и второй линиях передачи на второй гармонике, чем на первой, так как третья липия передачи согласована и имеет относительно низкий импеданс, шунтирующий варикап на первой гармонике, а на второй гармонике работает в режиме холостого хода и не сглаживает изменение импеданса варикапом при изменении напряжения на нем. Режим холостого хода на входе третьей линии передачи создается выбором ее электрической длины в указанных выше пределах.
Схема генератора изобрамсена на фиг. 2. На фиг. 3 показаны установившиеся зависимости от времени нанряжений на кристалле диода Ганна U1 и на внешних контактах корпуса диода Ганна U2, при максимальном значении емкости варикапа, а на фиг. 4 - те же напряжения при минимальном значении емкости варикапа. На фиг. 5 приведены изменения формы напряжений U1 и U2 и периода колебаний при скачкообразном изменении емкости варикана.
В соответствии с фиг. 2 генератор содержит диоды Ганна 1 и 2, соединеные поперечными линиями передачи 3 и 4, имеющими общую электрическую длипу, равную четверти длипы волны генерируемых колебаний. К точке соединений линий 3 и 4 подключен варикап 5. В эту же точку симметрично относительно диодов Ганна 1 и 2, подключеп отрезок продольной линии передачи в, имеющий электрическую длину, несколько большую четверти длины волны и не более половины длины волны. К точке соединения линий 3, 4 и 6 подключены также первый дроссель 7 фильтра нижних частот 8, через который на варикап 5 подается информапионный импульсный поток от информационного входа 9 , второй дроссель 10 фильтра нижних частот 11, через который подается постоянное напряжение питания на диоды Ганна 1 и 2, являющееся одновременно смещением варикапа б. Другой конец линии б электрически связан с полоснопропускающим фильтром 12, который в свою очередь подключен к нагрузке в виде согласованной линии передачи 13.
В качестве примера реализации устройства рассмотрим диапазон частот около 10 ГГц. В этом диап 13оне могут применяться диоды Ганна типа ЗА 723 и варикап типа ЗА 615. Полосовой фильтр наиболее просто
реализуется в виде резонатора на занредельном волноводе, подключение к которому со стороны линии в выполнено с помощью петли связи, а со стороны стандартного волновода нагрузки - с помощью металлического стержня, включенного в плоскости перехода от запредельного волновода к стандартному. Дроссели 7 и 10 реализуются в виде отрезков тонкого проводника диаметром не более 0.1 мм и длиной не более Л/8, емкостные секции ФНЧ - в виде полосковых линий с волновым сопротивлением менее 1 Ом и длиной также не более Я./8.
Схема генератора отличается от известных тем, что в ней не используется высокодобротный резонатор, настоенный на частоту первой гармоники, ограничивающий скорость перестойки частотыпри
электрическом управлении емкостью варикапа, а согласующий трансформатор имнеданса, вынолненнный в виде нолоснопропускающего фильтра (ППФ), и включенный на выходе линии в, кроме согласования линии в с нагрузкой на частоте первой гармоники, создает режим холостого хода на входе линии в на частоте второй гармоники. Это исключает рассеяние мощности второй гармоники в нагрузке, что создает условия для возбуждения релаксационных колебаний на диодах Ганна и повышает эффективность изменения амплитуды и фазы второй гармоники на диодах Ганна нри изменении емкости варикапа, что нриводит к увеличению скорости перестройки частоты.
Стабильность колебаний генератора обеспечивается высокой добротностью резонанса на частоте второй гармоники, создаваемого линиями 3 и 4 укорачивающей емкостью варикана5, изменение которой изменяет частоту этого резонанса. Высокая добротность резонанса достигается благодаря отсутствию существенных потерь мощности на частоте второй гармоники, а малая инерционность при перестройке частоты - сильной связью диодов с Ганна линиям 3 и 4.
Работа устройства (фиг.2) иллюстрируется фиг. 3, 4 и 5.
После включения питания в течение нескольких наносекунд на диодах Ганна 1,2 и наварикапе 5 устанавливается номинальное
значение нанряжения смещения, причем для варикапа это напряжение является запирающим. На диодах Ганна 1,2 возбуждаются релаксационые колебания с нодавлением бегущих доменов сильного поля в кристаллах диодов. Подавление доменов происходит либо за счет неравенства пороговых напряжений диодов Ганна, либо в результате нарастания амнлитуды напряжения второй гармоники ввиду отсутствия рассеяния мощности в схеме на ее частоте. При выбранной длине линий 3 и 4 диоды Ганна 1,2 могут работать только на синфазной моде колебаний. Мощность колебаний двух диодов суммируется в линии в и первая гармоника суммарной мощности проходит через полосовой фильтр 12 в нагрузку 13. Частота колебаний существенным образом зависит от напряжения на варикапе б, определяющем величину его емкости, которая, в свою очередь, определяет фазу и амплитуду второй гармоники в точках подключения диодов Ганна 1,2 к линиям 3,4 и почти не влияет на амплитуду и фазу первой гармоники колебаний, поскольку шунтирующее варикап 5 входное сопротивление линии б мало (равно волновому) на частоте первой гармоники и велико (режим холостого хода)
на частоте второй гармоники. Частота колебаний в релаксационном рюзкиме сильно зависит от амнлитуды и фазы напряжения второй гармоники - это видно из графиков на фиг. 3 и 4 - поэтому частота колебаний будет изменятся нри изменении напряжения на варикапе б, если на варикап подается информационная последовательность импульсов.
Влияние амплитуды и фазы второй гармоники в линиях 3 и 4 на частоту генератора ( фиг. 3 и 4 ), показано путем отобралсения колебательного процесса в схеме генератора, являющегося решением соответствующей схеме системы дифференциальных уравнений, полученный на компьютерной модели генератора. На фигурах показаны зависимости от времени напряжений U1 и U2 на кристалле одного из диодов Ганна (нанример, диода 1) и на стыке линии 3 с корнусом этого диода Ганна, соответственно. На фиг. 3 зависимости Ul(t) и U2(t) соответствуют большей величине емкости варикапа, а на фиг. 4 - меньшей, причем оба графика получены в одном прогоне модели для различных интервалов времени при одном наборе значений параметров схемы, показаных в верхних двух строчках фигур. На фигурах нриведены также уровни постоянных напряжений: пороговое напряжение UH и напряжение питания иО. Время Т на фиг. 3 и 4 указано в сотнях пикосекунд.
Из представленных иллюстраций следует, что изменение емкости варикапа 5 изменяет, главным образом, амплитуду и фазу второй гармоники частоты колебаний в напряжении U2. При этом частота колебаний изменяется примерно на 30% за счет изменения длительности донорогового участка напряжения U1.Связь
длительности этого участка с формой напряжения U2 объясняется ностоянством площади между зависимостями U2 и U1 на этом участке, что следует из постоянства величин порогового напряжения и минимального значения U1. При UKUn значения U1, пропорциональные току кристалла диода, линейно зависят от интеграла разности U2-U1 по времени. Поскольку максимум интеграла прюпорционален UH Const, то и упомянутая площадь постоянна.
На фиг.5 показан переходный процесс в модели генератора после скачкообразного изменения емкости варикапа 5. При этом масштаб по оси времени изменен в 4 раза и в заголовке добавлены некоторые результаты прогона программы с указанными значениями параметров: F1, F2 и F3 частоты колебаний ( в десятках ГГц) при большем (F1 и F3) и меньшем (F2) значениях емкости варикапа 5, установившиеся значения мощности (в Вт) на выходе генератора на частотах F1 и F2. Остальные данные и обозначения соответствуют фиг. 3 и 4. Переключение емкости варикапа 5 происходит в момент . Из фигуры следует, что переход к новой длительности периода колебаний завершается нрактически в первом цикле после переключения емкости. При этом амплитуда колебаний с новым периодом близка к установившемуся значению. Это значит, что время переключения частоты при модуляции последовательностью импульсов определяется длительностью фронта модулирующего импульса, а диоды Ганна 1,2 не вносят существенной задержки при переключении частоты, поскольку скорость перестройки частоты при мгновенном изменении емкости варикапа 5 превышает 3.5 ГГц/0.1  35 ГГц/нс.
Стационарное значение амплитуды колебаний с новым периодом устанавливается в носледующих трех циклах. При использовании генератора в качестве частотного модулятора нестационарность амплитуды имеет второстепенное значение и может быть снята включением на выход генератора синхронного усилителя мощности ЧМ колебаний.