ГЕНЕРАТОР ПАВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в составе генераторов опорных частот в качестве высокочастотных источников стабильных колебаний, тактовых генераторов.
Поверхностно-акустические волны (ПАВ) могут быть использованы для создания эффективных генераторов, пригодных для применения в радиолокационной, связной, измерительной аппаратуре. Эффективность характеристик генераторов на ПАВ структурах во многом определяется типом ПАВ структуры (ПАВ резонатор, ПАВ линия задержки, ПАВ фильтр) и свойствами материала подложки. При этом одной из основных проблем генераторов на ПАВ, что особенно проявляется при расширенной перестройке частоты генераторов, является недостаточная температурная стабильность выходного высокочастотного колебания (ВЧ) в широком интервале температур.
Известен способ обеспечения температурной стабильности частоты ПАВ генератора - использование ПАВ генератора в петле фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Высокая термостабильность выходного ВЧ колебания ПАВ генератора в структуре ФАПЧ определяется температурными свойствами используемого опорного генератора. Примером реализации являются патенты US 6,778,028 В2, US 4,868,524. Недостатками подобных решений повышения термостабильности частоты высокочастотных ПАВ генераторов являются ухудшение спектральной чистоты и фазового шума выходного ВЧ колебания, сложность и громоздкость схемы, так как для термостабилизации в петле ФАПЧ требуются дополнительные буферные усилители, делители частоты в прямом и обратном каналах, петлевой фильтр, импульсный частотно-фазовый детектор и т.д.
Другой способ повышения температурной стабильности частоты ПАВ ГУН (генератор управляемого напряжения) на ПАВ резонаторе заключается в формировании температурно-зависимого управляющего напряжения, подаваемого на вход управления ПАВ ГУН. Примером реализации служат патенты US 4,011,526 и US 2007/0096839 А1. Недостатком данных ПАВ ГУН является использование по входу управления схемы усиления постоянного тока, что вносит дополнительную составляющую в нестабильность частоты, требует применения специфичной прецизионной элементной базы и делает устройство нетехнологичным из-за разброса параметров элементов и их собственного температурного дрейфа. В частности, еще одним недостатком генераторов на ПАВ резонаторе является малая перестройка по частоте в силу свойства узкополосности, присущего резонаторам на ПАВ, из-за малого резонансного промежутка [Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах. - М. Радио и связь, 1983]. Это ограничивает их применение в устройствах, где требуется широкая перестройка по частоте.
Наиболее близким по построению генератора к заявляемой полезной модели является генератор на ПАВ фильтре [Патент на полезную модель №98301 U1. Генератор ПАВ. / Завьялов С.А., Ляшук А.Н. - Опубл. 10.10.2010], выполненный по схеме емкостной трехточки, содержащий усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором, между общим проводом и эмиттером, между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общей шиной (проводом) источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общей шиной (проводом) и первым выводом индуктивности, к которому подключен первый вывод конденсатора, второй вывод которого подключен к общей шине, ко второму выводу индуктивности подключен катод варикапа, анод которого подключен к общему проводу, при этом к катоду варикапа подключен резистор, второй вывод которого образует вход управления частотой генератора.
Достоинством данного генератора на ПАВ фильтре является расширенный диапазон перестройки по частоте. При этом недостатком является малая температурная стабильность.
Задачей создания полезной модели является повышение температурной стабильности частоты выходного сигнала генератора на ПАВ фильтре при работе в широком интервале температур.
Поставленная задача достигается тем, что в состав генератора на ПАВ фильтре, выполненного по схеме емкостной трехточки, содержащего усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель, причем входные клеммы ПАВ фильтра включены между базой транзистора и общим проводом источника, а выходные клеммы ПАВ фильтра подключены между общим проводом и первым выводом индуктивности, к которому подключен первый вывод конденсатора, второй вывод которого подключен к общему проводу, ко второму выводу индуктивности подключен катод варикапа, согласно заявляемому техническому решению введены резистивный делитель напряжения между источником опорного напряжения и общим проводом, средняя точка которого через сопротивление подключена к катоду варикапа, и термозависимый резистивно-диодный делитель напряжения, при этом первый вывод сопротивления термозависимого делителя подключен к источнику опорного напряжения, а второй вывод сопротивления подключен через цепочку из N последовательно соединенных прямосмещенных диодов к общему проводу и к первому выводу развязывающего сопротивления, второй вывод которого подключен к аноду варикапа, соединенного через конденсатор с общим проводом.
Сущность полезной модели поясняется чертежом (фиг.1), на котором приведена принципиальная схема предлагаемого термокомпенсированного генератора на ПАВ фильтре, поясняющая принцип его работы.
Генератор на ПАВ фильтре содержит усилитель на транзисторе по схеме с общим коллектором 1 между общим проводом и эмиттером, а также между базой и эмиттером которого включены фазирующие конденсаторы 2, 3, а к эмиттеру транзистора подключен буферный усилитель 4. Между базой транзистора и общей шиной источника включены входные клеммы ПАВ фильтра 5, а выходные клеммы ПАВ фильтра 5 подключены между общей шиной и входом П-контура 6, содержащего конденсатор 7, индуктивность 8, варикап 9 и конденсатор 11. 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 первому выводу конденсатора 11, при том, что его второй вывод подключен к общему проводу, образуют вход П-контура 6, а соединение второго вывода индуктивности 8 и катода варикапа 9 - выход П-контура 6. К катоду варикапа 9 через развязывающее сопротивление 10 подключена общая точка последовательно соединенных сопротивлений 15 и 13, образующих резистивный делитель напряжения 29. К аноду варикапа 9 через развязывающее сопротивление 12 подключена точка соединения сопротивления 16 и анода диода 17 термозависимого резистивно-диодного делителя напряжения 14, представляющего собой датчик температуры, состоящего из последовательно соединенных сопротивления 16 и последовательно соединенных прямосмещенных диодов 17-28. К общей точке соединения сопротивления 15 резистивного делителя 29 и сопротивления 16 резистивно-диодный делителя 14 подключен источник опорного напряжения.
Генератор на ПАВ работает следующим образом. В момент включения питания в генераторе выполняются условия самовозбуждения. С увеличением амплитуды генерируемых колебаний происходит ее ограничение, и наступает так называемый баланс энергий, соответствующий стационарному режиму генерации.
Значение частоты выходного ВЧ колебания и способность генератора к перестройке частоты в широких пределах в стационарном режиме определяется ПАВ фильтром 5, являющегося трансформатором сопротивления с однозначно регулируемым в широкой полосе пропускания индуктивным входным импедансом, и регулируемым П-контуром 6, обеспечивающим возможность формирования и трансформации входной реакции ПАВ фильтра в широком диапазоне частот. Управление реактивностью П-контура 6 с помощью варикапа 9 и соответственно управление частотой выходного ВЧ колебания осуществляется разностью потенциалов термозависимого напряжения датчика температуры - резистивно-диодного делителя 14, и стабилизированного напряжения резистивного делителя напряжения 29. Разница напряжений, формируемая делителями 14 и 29, определяют рабочую точку варикапа 9. Коррекцией рабочей точки изменением напряжением смещения варикапа 9 с помощью сопротивлений 15 или 13 подстраивают номинальное значение частоты ВЧ колебания.
В основе работы датчика температуры на основе диодов с выходным сигналом в виде напряжения лежит зависимость прямого падения напряжения на p-n переходе от температуры, которая имеет линейный характер. Если принять, что для одиночного p-n перехода крутизна температурной характеристики составляет величину ΔU мВ/°С, то при последовательном соединении N диодов суммарная температурная характеристика имеет крутизну в N раз больше: N×ΔU (мВ/°С). Это используется для создания датчика температуры с требуемыми параметрами по крутизне. Требуемая крутизна температурной характеристики, то есть конкретное количество диодов определяется характеристикой управления и собственной исходной температурно-частотной характеристикой генератора без термокомпенсации.
Положительный эффект термокомпенсации генератора на ПАВ фильтре достигается использованием комбинации свойств: способностью формирователя термозависимого напряжения (резистивно-диодного делителя напряжения) преобразовать температуру, воздействующую на термочувствительный датчик из N p-n переходов, в напряжение компенсации с определенной функциональной зависимостью от крутизны характеристики управления генератора и размаха его температурно-частотной характеристики без компенсации, а также способностью регулируемого варикапом П-контура совместно с ПАВ фильтром перестраивать частоту генератора в пределах, больших, чем интервал собственной температурной нестабильности генератора, благодаря сохранению в широкой полосе частот индуктивной реакции ПАВ фильтра со стороны его входных клемм, подключаемых к базе усилителя на транзисторе 1 и обеспечению, тем самым, однозначности перестройки частоты генератора от компенсирующего напряжения.
Генератор на ПАВ фильтре (фиг.1) был реализован с использованием кольцевых ПАВ-фильтров с малыми потерями, на кристалле LiNbO3 среза YX/49° с центральной частотой полосы пропускания 200 МГц. В качестве источника опорного напряжения использовался настраиваемый регулятор напряжения LM117. Для формирования температурнозависимого напряжения с требуемой крутизной в температурном датчике было использовано двенадцать последовательно соединенных диодных сборок BAV99 (N=12) с крутизной температурной характеристики примерно 22 мВ/°С. Температурная стабильность генератора на ПАВ фильтре без термокомпенсации в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 55° составляет 1,365 МГц или ±3400 ppm. Практически реализованное значение температурной стабильности генератора на ПАВ фильтре с термокомпенсацией в диапазоне температур от минус 50°С до плюс 55°С составило ±110 ppm (фиг.2).