ГЕНЕРАТОР ПАВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в составе генераторов опорных частот в качестве высокочастотных источников стабильных колебаний, частотно-модулированных генераторов, высокочастотных генераторов, управляемых напряжением, высокочастотных тактовых генераторов.
Известно применение ПАВ структур для создания эффективных генераторов, пригодных для применения в радиолокационной, связной, измерительной аппаратуре [Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчет, технология, применение): Пер. с англ. / Под ред. Г. Мэттьюза. - М. Радио и связь, 1981]. Достоинствами генераторов на ПАВ являются малые габариты, малая масса и так же то, что частота их колебаний без умножения лежит в диапазоне от десятков МГц до нескольких ГГц.
Генераторы с элементами на ПАВ могут быть реализованы в трех вариантах [Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология, конструкция, применение: Пер. с чешек. - М. Мир., 1990]. В зависимости от способа взаимодействия элементов на ПАВ с активным элементом генераторы можно разделить на: генераторы с линией задержки на ПАВ, включенной в обратную связь; генераторы с резонатором на ПАВ в виде четырехполюсника (резонансным фильтром) в цепи положительной обратной связи; генераторы с резонатором на ПАВ в виде двухполюсника (аналогично схемам генераторов с пьезоэлектрическим резонатором на объемных волнах - с кварцевым резонатором)
В генераторах с линией задержки на ПАВ используется принцип рециркуляции, основанный на использовании линии задержки на ПАВ в цепи обратной связи генератора, в которой обеспечивается усиление, достаточное для компенсации акустических потерь [Малов. В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989]. Для генераторов с линией задержки на ПАВ характерно то, что в качестве линии задержки используют ПАВ фильтр, вследствие необходимости обеспечения условий генерации, то есть выполнения условий баланса фаз и баланса амплитуд, только на одной частоте, при этом параметры фильтра выбираются таким образом, чтобы его передаточная функция была равна нулю на нежелательных частотах.
Недостатками подобных схем [Малов. В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989, (рис.8. 6.)] является их сложность, как правило, кроме ПАВ фильтра в качестве линии задержки, схема должна содержать согласующие четырехполюсники, широкополосные усилители, частотно избирательные цепи, обеспечивающие модовую селекцию. Элементы согласования и селекции при этом выполняются либо на пассивных компонентах, либо с использованием избирательных усилителей.
Известные схемы генераторов с линией задержки на ПАВ [Малов. В.В. Пьезорезонансные датчики. - 2-изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат,1989, (рис.8. 7, а, б)] содержат, как правило, не менее двух транзисторов, обеспечивающих компенсацию потерь в линии задержки и согласующих элементах. Примерами подобной реализации генераторов являются патенты US №4799029 Н03В 5/30, US №4760352 Н03В 5/24, US №4011526 Н03В 5/04, SU №1256654 A1 H03H 9/00, RU №2052888 C1 H03B 5/32.
Для осуществления возможности широкой перестройки частоты в генераторах с линией задержки на ПАВ в кольцо генерации необходимо дополнительно вводить внешний фазовращатель, обеспечивающий фазовый сдвиг до (80…90) градусов, что является достаточным дестабилизирующим фактором для получения высокой стабильности генерируемой частоты. Возможность однозначной (без перескоков) перестройки частоты при этом, кроме введения управляемого фазовращателя в схему генератора, обеспечивается путем выбора ширины пропускания ПАВ фильтра и линейностью его фазовой характеристики.
Критичность частоты подобного генератора к воздействию внешних цепей и фазовращателя зависит от крутизны и величины фазового набега в ПАВ фильтре, что определяет выбор между стабильностью частоты генератора и его способностью к модуляции или перестройке [Доберштейн С.А., Мартынов А.В., Малюков В.А., Кучеренко И.А. Двуполостная ПАВ-микросборка ГУНа для мобильных радиостанций диапазона частот 146-174 МГц. - Техника радиосвязи / Научно-технический сборник, вып.5 - Омск, 2000]. Для достижения стабильности по частоте акустический фазовый сдвиг ПАВ фильтра должен преобладать над фазовыми сдвигами в цепи обратной связи и во всех реактивных элементах генератора.
Структура генераторов с резонатором на ПАВ в виде четырехполюсника в цепи положительной обратной связи принципиально не отличается от генераторов с ПАВ линией задержки в цепи обратной связи. Разница состоит в том, что в составе генераторов ПАВ фильтр используется не в качестве линии задержки, а в качестве двухвходового резонатора ПАВ. При этом отличия в схемотехнике генераторов определяются конструктивной разницей ПАВ линии задержки и ПАВ резонатора, определяющей параметры цепи обратной связи, такие как вносимое затухание (у ПАВ резонаторов оно меньше, чем у ПАВ линий задержки) и величина емкости встречно-штыревых преобразователей (у ПАВ резонаторов она меньше).
Известно, что конструктивно резонатор ПАВ представляет собой пьезозвукопровод, на концах которого располагаются две обычно одинаковые отражающие решетки [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М. Радио и связь, 1983]. Решетки действуют как распределенные отражатели, между которыми образуется резонансная полость. Энергия колебаний подводится и выводится из резонансной полости встречно штыревыми преобразователями, которых может быть один или два (одновходовый или двухвходовый ПАВ резонатор). В отличие от фильтра или линии задержки на ПАВ, где избирательные свойства определяются частотными характеристиками преобразователей, в ПАВ резонаторе преобразователи выполняют лишь роль устройств связи с резонансной полостью. Частотные свойства ПАВ резонатора определяются частотной зависимостью коэффициента отражения решеток, а также избирательными свойствами самой резонансной полости, что в общем случае определяет соответствие свойств эквивалентной электрической схемы замещения ПАВ резонатора вблизи частоты последовательного резонанса типичной характеристике параллельного колебательного контура второго рода.
Вследствие того, что резонансный промежуток ПАВ резонатора меньше, чем у ПАВ линии задержки, то свойство узкополосности, присущее ПАВ резонаторам, и определяет характерный для ПАВ генераторов с одновходовым резонатором на ПАВ в виде двухполюсника недостаток - малую перестройку частоты генератора. Наиболее простые известные схемы генераторов с использованием одновходовых ПАВ резонаторов выполнены, как правило, по схеме трехточечного генератора, в которых ПАВ резонатор выполняет роль индуктивности [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М. Радио и связь, 1983].
Часто генераторы с использованием ПАВ резонатора выполняют просто без возможности осуществлять, какую либо перестройку частоты. Вариант реализации такого генератора является ПАВ генератор на одновходовом ПАВ резонаторе [US №5721515 B1 H03B 5/00], выполняющем в трехточечной схеме генератора двойную функцию - индуктивности трехточки и блокировочного элемента, заземляющего базу транзистора на частоте генерации.
Наиболее близким по построению генератора к заявляемой полезной модели является ПАВ генератор с одновходовым ПАВ резонатором в качестве двухполюсника, выполненный по схеме емкостной трехточки [US №6674334 B1 H03B 5/12], содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером транзистора включены фазирующие конденсаторы, между эмиттером и общей шиной последовательная цепь из конденсатора и варикапа, к точке соединения которых подключен первый вывод сопротивления, второй вывод которого является входом управления, при этом между базой транзистора и общей шиной источника питания включен ПАВ резонатор, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель.
Построение генератора интересно тем, что введенный авторами патента вход управления активностью генератора можно использовать как вход управления выходной частотой генератора, существенным недостатком его, однако, является ограничение величины перестройки выходной частоты, что позволяет использовать вход управления только, например, в качестве корректирующего номинал выходной частоты генератора.
Задачей создания полезной модели является расширение диапазона частот перестройки ПАВ генератора при сохранении стабильности генерируемой частоты.
Поставленная задача достигается тем, что в состав генератора, содержащего усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, согласно заявляемому техническому решению, в состав генератора введены ПАВ фильтр и П-контур, как четырехполюсники, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общей шиной источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общей шиной и входом П-контура, содержащего конденсатор, индуктивность и управляемую емкость (варикап), причем соединение первого вывода конденсатора, второй вывод которого подключен к общему проводу, и первого вывода индуктивности, второй вывод которой подключен к катоду варикапа, анод которого подключен к общему проводу, образуют вход П-контура, а соединение второго вывода индуктивности и катода варикапа - выход П-контура, соединенный с первым выводом сопротивления, второй вывод которого является входом управления частотой генератора.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.1.), на котором приведена принципиальная схема предлагаемого генератора на ПАВ фильтре, поясняющая принцип его работы.
Генератор на ПАВ фильтре содержит усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором 1, между общей шиной и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы 2 и 3, буферный усилитель 4, ПАВ фильтр 5, как четырехполюсник. Входные клеммы ПАВ фильтра 5 при этом включены между базой транзистора и общей шиной источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра 5 подключены между общей шиной и входом П-контура 6, содержащего конденсатор 7, индуктивность 8 и управляемую емкость (варикап) 9, причем соединение первого вывода конденсатора 7, второй вывод которого подключен к общему проводу, и первого вывода индуктивности 8, второй вывод которой подключен к катоду варикапа 9, анод которого подключен к общему проводу, образуют вход П-контура 6, а соединение второго вывода индуктивности 8 и катода варикапа 9 -выход П-контура 6. В выходу П-контура 6 подключено сопротивление 10, второй вывод которого является входом управления частотой генератора.
Генератор на ПАВ фильтре работает следующим образом. В момент включения питания в генераторе выполняются условия самовозбуждения, которые удобно представить, рассматривая генератор в виде параллельного соединения двухполюсников: активного двухполюсника (входные клеммы активного двухполюсника - база транзистора и общий провод), выполненного на усилителе по схеме с общим коллектором 1 с фазирующими конденсаторами 2 и 3, причем его входное сопротивление является отрицательным (активным) и емкостным, и пассивного двухполюсника (входные клеммы пассивного двухполюсника - первая входная клемма ПАВ фильтра 5, вторая входная клемма ПАВ фильтра 5 подключена к общему проводу, и общий провод), причем входное сопротивление ПАВ фильтра 5 в полосе пропускания, как пассивного двухполюсника, имеет характер сопротивления потерь и индуктивности. Необходимо отметить, хотя ПАВ фильтр 5 в схеме генератора используется как четырехполюсник (входные клеммы ПАВ фильтра 5 нагружены на активную часть генератора, а его выходные клеммы - на П-контур 6), с точки зрения подключения его к активной части генератора он может рассматриваться двухполюсником.
Условием самовозбуждения является превышение величины отрицательного сопротивления активного двухполюсника над величиной сопротивления потерь в пассивном двухполюснике, причем генерирование колебаний осуществимо только на частоте, где равны и комплексно сопряжены реактивные части входного сопротивления активного и пассивного двухполюсников. С увеличением амплитуды генерируемых колебаний происходит ее дальнейшее ограничение, и как следствие - уменьшение значения эффективного отрицательного сопротивления активного двухполюсника до значения, при котором величина отрицательного сопротивления активного двухполюсника и сопротивления потерь пассивного двухполюсника становятся равны. Наступает так называемый баланс энергий, соответствующий стационарному режиму генерации, при котором энергия, выработанная за период колебания в активном двухполюснике, полностью компенсирует потери за тот же период колебания в пассивном двухполюснике, что эквивалентно классическим условиям генерирования колебаний на основе условий баланса фаз и амплитуд.
Перестройка по частоте генератора осуществляется путем изменения величины реактивной части входного сопротивления пассивного двухполюсника (ПАВ фильтра 5), для чего выходные клеммы ПАВ фильтра 5, уже как четырехполюсника, нагружены на регулируемый П-контур 6. При изменении управляющего напряжения на входе управления частотой генератора (см. фиг.1) меняется емкость варикапа 9, и, соответственно, входное сопротивление П-контура 6, что в свою очередь меняет сопротивление нагрузки ПАВ фильтра 5 как четырехполюсника со стороны П-контура 6. Так как ПАВ-фильтр 5 как четырехполюсник в полосе пропускания является трансформатором сопротивления, то изменяется и его входное сопротивление, уже как двухполюсника, подключенного параллельно активной части генератора (активному двухполюснику).
Так как генерируемая частота определяется частотой, на которой выполняется условие равенства нулю суммы реактивностей входного сопротивления активного и пассивного двухполюсников, а также тем, что реактивная составляющая входного сопротивления активного двухполюсника при изменении частоты генерации остается емкостной, то величина перестройки частоты генератора на ПАВ фильтре определяется способностью реактивной части входного сопротивления пассивного двухполюсника изменяться в широких пределах, сохраняя при этом индуктивный характер. Это достигается действием напряжения на входе управления частотой генератора на изменение величины емкости варикапа 9 в П-контуре 6, обладающего, как известно, способностью к трансформации сопротивления в широких пределах, и, соответственно, на изменение в широких пределах входного сопротивления П-контура 6, нагруженного на клеммы ПАВ фильтра 5 как четырехполюсника и, следовательно, на изменение входного сопротивления ПАВ фильтра 5 со стороны активной части генератора как двухполюсника. Сопротивление 10 в схеме выполняет функцию элемента, развязывающего вход управления частотой от высокочастотной составляющей на варикапе 9. Выходной сигнал генератора через буферный усилитель 4 выдается внешним потребителям.
Положительный эффект расширения диапазона перестройки генератора на ПАВ фильтре достигается использованием комбинации свойств элементов схемы: ПАВ фильтра 5, как четырехполюсника - трансформатора сопротивления и одновременно как двухполюсника с однозначно регулируемым в широкой полосе пропускания индуктивным входным импедансом; П-контура 6, как четырехполюсника, нагруженного на ПАВ фильтр 5, обеспечивающего возможность формирования и трансформации индуктивной реакции ПАВ фильтра 5 как двухполюсника в широком диапазоне частот с помощью управляемой емкости 9; более широкой, большей, чем у резонатора ПАВ, полосы пропускания ПАВ фильтра 5.
°
Генератор на ПАВ фильтре был реализован с использованием кольцевых ПАВ-фильтров с малыми потерями, имеющими линейную фазовую характеристику с фазовым набегом±180° в полосе пропускания 5% по уровню -3 дБ на кристалле LiNbO3 среза YX/49 с центральной частотой полосы пропускания 200 МГц. Особенность конструкции кольцевых фильтров - входной и выходной двунаправленные встречно-штыревые преобразователи размещены в параллельных акустических каналах и содержат два отражательных многополосковых ответвителя, обеспечивающих передачу поверхностной акустической волны между каналами. Фильтры ПАВ имеют малые вносимые потери, близкую к линейной фазовую характеристику в полосе пропускания с крутизной около 40°/МГц. Размеры кристалла ПАВ фильтров составляют 2х2х0,7 мм. Практически реализованный диапазон частот перестройки генератора на ПАВ фильтре при изменении напряжения на входе управления от 0 до 5 В составил±5000 ppm.