СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СВЧ ГЕНЕРАТОР С ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
STABILISED SEMICONDUCTOR MICROWAVE GENERATOR WITH FREQUENCY MODULATION OF OUTPUT SIGNAL

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно к стабилизированным полупроводниковым СВЧ генераторам с частотной модуляцией (ЧМ) выходного сигнала, которые могут быть использованы в качестве гетеродинных и задающих модулей для приемных и передающих устройств.
В настоящее время актуальной задачей является создание стабилизированного полупроводникового СВЧ генератора с варакторной перестройкой частоты, выполненного на основе лавинно-пролетных диодов (ЛПД) и предназначенного для формирования непрерывного частотно-модулированного сигнала миллиметрового диапазона длин волн с низким уровнем фазовых и амплитудных шумов и высокой стабильностью частоты, а также с низким уровнем паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) выходного сигнала.
Из известных технических решений, направленных на решение этой задачи, наиболее близким к заявленному изобретению (прототипом изобретения) является полупроводниковый СВЧ генератор, построенный по схеме из трех последовательно связанных контуров [1]. СВЧ генератор содержит последовательно соединенные варакторное устройство на лавинно-пролетном диоде, образующее третий (управляющий режимом ЧМ) контур, высокодобротный резонатор, образующий второй (стабилизирующий) контур, и генератор на лавинно-пролетном диоде, образующий первый (генераторный) контур. Для уменьшения влияния нагрузки на электрический режим и технические параметры СВЧ-генератора на выходе из генераторного контура (на выходе генератора на ЛПД) включен развязывающий ферритовый вентиль. Данный генератор характеризуется высокими спектральными характеристиками сигнала. Однако в процессе частотной модуляции из-за неидеальности вольт-фарадной характеристики ЛПД варакторного устройства и изменения этой характеристики при изменении температуры окружающей среды появляется паразитная амплитудная модуляция на частоте модулирующего сигнала. Использование в СВЧ генераторе трехконтурной схемы и выбор заданного режима настройки связей между этими контурами дает возможность выполнить указанные требования по стабильности частоты, фазовым и амплитудным шумам и режиму частотной модуляции выходного сигнала, а также компенсировать до определенной величины уровень ПАМ выходного сигнала СВЧ генератора. Эксперименты показали, что в таком полупроводниковом СВЧ генераторе уровень паразитной амплитудной модуляции достигает минус 40-45 дБ. Однако такой уровень ПАМ не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к СВЧ генераторам с ЧМ выходного сигнала, предназначенным для использования в качестве гетеродинных и задающих модулей для радиотехнических СВЧ устройств.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение уровня паразитной амплитудной модуляции выходного сигнала полупроводникового СВЧ генератора до минус 55-60 дБ на частоте модулирующего сигнала.
Предлагается стабилизированный полупроводниковый СВЧ генератор с частотной модуляцией выходного сигнала, содержащий последовательно соединенные варакторное устройство на лавинно-пролетном диоде, высокодобротный резонатор, генератор на лавинно-пролетном диоде и ферритовый вентиль, притом в него введены быстродействующий амплитудный СВЧ модулятор на p-i-n-диоде, СВЧ вход которого соединен через ферритовый вентиль с выходом генератора на лавинно-пролетном диоде, а СВЧ выход быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора соединен с входом направленного ответвителя, основной выход которого является выходом полупроводникового СВЧ генератора, а ответвленный выход направленного ответвителя соединен с СВЧ входом диодного детектора, низкочастотный выход которого соединен с входом усилителя низкой частоты, выход которого соединен с низкочастотным управляющим входом быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора.
Введение в полупроводниковый СВЧ генератор (на выходе ферритового вентиля) системы компенсации ПАМ в виде цепи обратной связи (ЦОС), состоящей из последовательно соединенных быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора, направленного ответвителя, диодного детектора и усилителя низкой частоты (УНЧ), выход которого соединен с низкочастотным управляющим входом быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора, который обеспечивает режим компенсации ПАМ на частоте модулирующего сигнала за счет подачи продетектированного ответвленного от основного канала сигнала на низкочастотный вход быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора, который непосредственно не связан с высокодобротным резонатором, и поэтому не снижает нагруженную добротность СВЧ-генератора, то есть не ухудшает его спектральных характеристик.
Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен предлагаемый стабилизированный полупроводниковый СВЧ генератор с частотной модуляцией выходного сигнала, снабженный системой компенсации паразитной амплитудной модуляции. Полупроводниковый СВЧ генератор в волноводном исполнении содержит генератор на ЛПД 1, выполненный в виде волноводной секции с генераторным диодом (ЛПД), соединенный через стабилизирующий высокодобротный объемный резонатор 2 с варакторным устройством на лавинно-пролетном диоде 3, выполненным в виде волноводной секцией с варакторным диодом на основе ЛПД, обеспечивающим модуляцию частоты выходного сигнала полупроводникового СВЧ генератора. К выходу генератора на ЛПД 1 через волноводный ферритовый вентиль 4, развязывающий полупроводниковый СВЧ генератор от влияния изменений нагрузки, подсоединена система компенсации ПАМ, в состав которой входят волноводный быстродействующий амплитудный СВЧ модулятор 5 на p-i-n-диоде, волноводный направленный ответвитель 6, основной выход которого является выходом полупроводникового СВЧ генератора и связан с полезной нагрузкой полупроводникового СВЧ генератора, волноводный диодный детектор 7, СВЧ вход которого соединен с ответвленным выходом направленного ответвителя 6, и УНЧ 8, вход которого соединен с низкочастотным выходом диодного детектора 7, а выход УНЧ 8 соединен с низкочастотным управляющим входом быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора 5. Для повышения стабильности и надежности электрического режима генератора на ЛПД 1 он подключен к вторичному источнику питания 9, представляющему собой стабилизатор тока.
Предлагаемый полупроводниковый СВЧ генератор так же, как прототип изобретения выполнен по схеме из трех последовательно связанных контуров, что обеспечивает выполнение комплекса специфичных требований по стабильности частоты, фазовым и амплитудным шумам, а также по режиму частотной модуляции выходного сигнала. В первый (генераторный) контур включен генератор на лавинно-пролетном диоде 1, второй (стабилизирующий) контур является стабилизирующим высокодобротным объемным резонатором 2, а управление режимом частотной модуляции обеспечивается в третьем контуре, представляющем собой варакторное устройство на ЛПД 3.
Для обеспечения режима параметрической стабилизации и перестройки частоты между генераторным и стабилизирующим контурами организована сильная связь, много больше критической. При этом в качестве рабочего выбирается один из двух собственных видов колебаний такой двухконтурной системы. Связь между вторым (стабилизирующим) контуром и третьим контуром (варакторным устройством) меньше критической, но достаточная, чтобы осуществлять режим частотной модуляции. При этом достигаются минимальные потери мощности СВЧ генератора при стабилизации, и сохраняется высокая эквивалентная добротность его колебательной системы.
мод.
вых.
Предлагаемый стабилизированный полупроводниковый СВЧ генератор работает следующим образом. На лавинно-пролетный диод генератора на ЛПД 1, работающего в заданном диапазоне длин волн, подается постоянный рабочий ток так, что напряжение на лавинно-пролетном диоде смещено в обратном направлении. При этом активное сопротивление лавинно-пролетного диода в рабочем диапазоне частот - отрицательно и превышает сопротивление потерь этого диода и высокочастотного контура, что вызывает генерацию СВЧ колебаний. Причем высокодобротный резонатор 2 обеспечивает их высокую стабильность и высокие спектральные характеристики. За счет подачи на варакторное устройство на лавинно-пролетном диоде 3 модулирующего напряжения U с частотой 200÷450 кГц происходит частотная модуляция генерируемого СВЧ сигнала. Однако в процессе частотной модуляции, из-за неидеальности вольт-фарадной характеристики ЛПД варакторного устройства и изменения этой характеристики при изменении температуры окружающей среды, появляется паразитная амплитудная модуляция на частоте модулирующего сигнала, причем уровень паразитной амплитудной модуляции на выходе генератора на ЛПД 1 достигает минус 40-45 дБ. С целью дальнейшего уменьшения ПАМ до уровня до минус 55-60 дБ на частоте модулирующего сигнала СВЧ сигнал с выхода генератора на ЛПД 1 через ферритовый вентиль 4 подается на вход быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора 5 (имеющим время включения/выключения не менее 5 нс) и поступает в направленный ответвитель 6. С ответвленного выхода направленного ответвителя 6 СВЧ сигнал поступает на СВЧ вход диодного детектора 7, с низкочастотного выхода которого снимается напряжение огибающей частоты паразитной амплитудной модуляции. Величина напряжения, снимаемого с диодного детектора 7 (порядка 2-3 мВ), не достаточна для управления быстродействующим амплитудным СВЧ модулятором 5, поэтому его приходится усиливать низкочастотным усилителем 8. Усиленное с помощью УНЧ 8 напряжение (величиной порядка 50 мВ) подается на низкочастотный вход быстродействующего амплитудного СВЧ модулятора 5 (который настроен для работы в прямом режиме, то есть при подаче на амплитудный СВЧ модулятор положительного напряжения он запирается). Это напряжение частично запирает амплитудный СВЧ модулятор и тем самым снижает паразитную амплитудную модуляцию на 15-20 дБ без существенного уменьшения выходной мощности P на основном выходе направленного ответвителя 6 и без ухудшения спектральных характеристик СВЧ генератора.
Таким образом, данная схема СВЧ генератора обеспечивает высокие спектральные характеристики генератора и при этом дополнительно снижает уровень ПАМ на 15-20 дБ.
У экспериментальных образцов полупроводниковых СВЧ генераторов пятимиллиметрового диапазона длин волн, выполненных в волноводном исполнении, при уровне выходной мощности 100-150 мВт и при уровне амплитудных шумов минус 155 дБ/Гц при отстройке от несущей на 100 кГц, уровень паразитной амплитудной модуляции составлял не хуже минус 55-60 дБ на частоте модулирующего сигнала 200÷450 кГц при изменении температуры окружающей среды от минус 55°C до плюс 70°C.
Источники информации
1. Зырин С.С., Харабадзе Э.Т., Гудкова Н.Б., Савельев A.M., Соболев А.В., Хромов А.В. Генераторный малошумящий модуль 5-миллиметрового диапазона. - Радиотехника, 2007, №3, с.33-36.