Вы здесь

Розробка генераторів та фільтрів надвисокочастотного діапазону з діелектричними резонаторами

Автор: 
Манько Олександр Олексійович
Тип работы: 
Дис. канд. наук
Год: 
2005
Артикул:
0405U004054
99 грн
(320 руб)
Добавить в корзину

Содержимое

РОЗДІЛ 2
ТВЕРДОТІЛЬНІ ГЕНЕРАТОРИ НВЧ З ЕЛЕКТРОННИМ ПЕРЕСТРОЮВАННЯМ ЧАСТОТИ ТА ПОЛІПШЕНИМИ ФЛУКТУАЦІЙНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

2.1. Еквівалентна схема, умови генерації та флуктуаційні характеристики твердотільних НВЧ - генераторів

Однією з найважливіших характеристик сучасних НВЧ-генераторів є рівень їх частотних та амплітудних флуктуацій (або шумів). Серед твердотільних НВЧ-генераторів найнижчий рівень шуму на сьогодні властивий генераторам на діодах Ганна (ГДГ) [13,45], і дослідження шляхів подальшого поліпшення їх шумових характеристик є одним з основних напрямків напівпровідникової НВЧ-електроніки.
Функціональну схему НВЧ-генератора подано на рис. 2.1. Тут власне генератор - це активний елемент з від'ємним опором, розташований у хвилеводному резонаторі. Резонатор обладнаний рухомим короткозамикачем (поршнем) і гвинтом настроювання, за допомогою яких оптимізується вихідна потужність. Генератор (разом з навантаженням) в усіх випадках можна подати еквівалентною схемою (рис. 2.2), незалежно від особливостей його конструкції [46]. На рис. 2.2 Z(?) - імпеданс схеми, на який навантажено прилад, Z(A) - це імпеданс активного елемента, що залежить від амплітуди НВЧ струму А, І - НВЧ-струм між активним елементом та навантаженням. Щоб спростити аналіз, частотною залежністю Z(А) можна знехтувати, оскільки імпеданс приладу зазвичай є функцією, що повільно змінюється, у порівнянні з Z(?) - імпедансом схеми.
Рівняння автоколивань має вигляд [46]:
[Z(?)-Z(A)] · І = 0 . (2.1)

Рис. 2.1. Схематичне подання НВЧ-генератора

Рис. 2.2. Еквівалентна схема НВЧ-автогенератора
Зрозуміти фізичну суть виразу (2.1) можна, побудувавши геометричне місце імпедансів схеми й імпедансів активного приладу (зі знаком мінус) на комплексній площині (рис. 2.3). Криву Z(?) назвемо лінією (кривою) імпедансів схеми, стрілка кривої Z(?) вказує напрямок збільшення ?, а мітки на цій кривій дають лінійний масштаб частот. Геометричне місце Z(A) назвемо лінією імпедансів активного елемента. Стрілкою вказано напрямок збільшення амплітуди струму А, а мітками - рівні прирости амплітуди НВЧ-струму. У точці перетину кривих
Z(?)=Z(A). (2.2)
Якщо величина I є кінцевою та задовольняється рівняння 2.1, тоді Z(?) має дорівнювати Z(A). Отже, у стаціонарному режимі робоча точка розташовується на перетині лінії імпедансів схеми і лінії приладу. Частота й амплітуда коливань визначаються за масштабними мітками кривих у місці їх перетину. При цьому необхідно врахувати, що будь-який активний елемент генерує шум, який проявляється у флуктуаціях його імпедансу, а отже і лінії імпедансів.
Таким чином, лінія активного елемента здійснює коливальні рухи у поздовжньому та поперечному напрямках, і її перетин з кривою Z(?) визначає миттєву частоту й амплітуду А коливань. Отже, флуктуації частоти і амплітуди генератора пов'язані з флуктуаціями імпедансу активного елемента [46].

Рис.2.3. Лінія активного елемента та лінія імпедансів схеми

2.2. Низькочастотний шум генератора на діоді Ганна

Співставлення спектрів флуктуацій струму зміщення генератора Ганна і спектрів частотно-модульованого ЧМ шуму поблизу несівної частоти показує їх якісну схожість і дозволяє зробити припущення, що має місце перетворення низькочастотних струмових флуктуацій в ЧМ шум генераторів Ганна [47, 48]. Більш докладне дослідження струмових флуктуацій показує, що вони є пропорційними струму зміщення, а це може бути тільки в тому випадку, якщо флуктуації струму спричинені флуктуаціями провідності діоду Ганна [49].
Отже, флуктуації струму живлення виробів електронної техніки (ВЕТ) становлять достатньо важливий інформативний параметр. Для діодів Ганна , наприклад, аналіз значення цього параметра дозволяє зробити висновки про характеристики пасток в напівпровідникові [50], а також прогнозувати шумові характеристики вихідного сигналу генераторів на ДГ [51, 52].
В зв'язку з цим виникає питання розробки ефективного засобу дослідження струмових шумів ВЕТ. При вимірі флуктуацій струму живлення необхідно сформувати сигнал, напруга якого пропорційна флуктуаціям струму. Зазвичай, такий сигнал одержують, включаючи послідовно з діодом омічний опір [53, 54]. Цей метод має істотний недолік. З одного боку, опір резистора повинен бути достатньо великим для підвищення відношення сигнал/шум на вході вимірювального підсилювача, з іншого - зростання опору R призводить до збільшення паразитної модулюючої шумової напруги Uш, що прикладена до ВЕТ: Uш =Iш· R, де Iш - шумова складова струму через ВЕТ.
Ця шумова напруга викликає паразитну амплітудну і фазову шумову модуляцію НВЧ сигналу, що виявляється у вигляді збільшення частотних і амплітудних флуктуацій сигналу. Це наочно видно з розглянутої еквівалентної схеми, приведеної на рис.2.4, де флуктуації струму зміщення подано у вигляді джерела шумового струму Iш.
Тут шумова напруга Uш викликає додатковий амплітудний (?Аш=Uш = ·Iш·R) і частотний (?fш=·Uш=·Iш·R) шум, де і - похідні амплітуди і частоти генератора по напрузі зміщення діода. Підвищення відношення сигнал/шум на вході підсилювача шляхом збільшення значення резистора R приводить до росту паразитного модуляційного шуму.
З метою усунення цих недоліків було запропоновано використовувати трансформатор у якості перетворювача. Застосування трансформатора, як перетворювача шумового струму в напругу для активного елемента ГДГ,
Рис. 2.4. Еквівалентна схема джерела шуму ДГ

дозволяє одержати виграш у відношенні сигнал/шум на вході підсилювача і, при цьому, не погіршити флуктуаційні характеристики генератора. Еквівалентна схема включення трансформатора показана на рис. 2.5.
ЕРС на його вторинній обмотці Еш, прикладена до входу підсилювача, для шумового струму Iш на частоті ? буде дорівнює
Еш=Iш· ?·n1·n2·L1=Iш·?·n2·Ln1/n1 ; (2.3)
тут n1, n2 - число витків первинної і вторинної обмотки відп