Сверхвысокочастотные генераторы

 

К СВЧ генераторам относятся ИГ частотного диапазона, начиная с 300 МГц. При этом в нижней части дециметрового диапазона (300...1000 МГц) схемно и конструктивно они аналогичны ИГ метрового диапазона: базовой схемой ЗГ также является LC-генератор с коаксиальным резонатором, еще возможно усиле­ние сигнала ЗГ с помощью УВЧ, применяются все рассмотренные виды модуля­ции и т. д. Поэтому рассмотрим особенности СВЧ генераторов, частотный диапа­зон которых начинается с 1 ГГц.

Для диапазона СВЧ характерен переход от цепей с сосредоточенными по­стоянными к цепям с распределенными постоянными, относящимся к классу длинных линий. Поэтому СВЧ тракты ИГ конструктивно представляют собой совокупность СВЧ узлов в коаксиальном, волноводном и микрополосковом исполнении. Номенклатура этих узлов в настоящее время унифицирована в со­ставе подгруппы Э (см. § 2.1).

Далее в диапазоне СВЧ понятия тока и напряжения теряют свой физический смысл, и единственным видом измерений, однозначно характеризующим интен­сивность электромагнитных колебаний, становится измерение мощности. Поэтому СВЧ генераторы характеризуются P -параметрами. Соответственно вольтметр заменяется на ваттметр (термисторный или термоэлектрический), который может быть постоянно подключен к СВЧ тракту либо иметь отдельный вход (это харак­терно для ИГ миллиметрового диапазона, где максимально упрощают конструк­цию СВЧ тракта). В первом случае измеряется проходящая мощность (см. § 4.4), а во втором — поглощаемая (см. § 4.3).

Следующей характерной особенностью СВЧ генераторов является отсутствие УВЧ. Поэтому наибольшая выходная мощность ИГ полностью определяется ти­пом ЗГ и ослаблением СВЧ тракта. В качестве ЗГ применяются, как правило, три вида источников СВЧ колебаний, изучаемых в курсе «Электронные приборы СВЧ и квантовые приборы»: на клистронах, на лампах обратной волны и на диодах Ганна. Все они характеризуются сравнительно небольшим перекрытием по диапазону частот (порядка двух). Поэтому СВЧ генераторы проектируются как однодиапазонные и выпускаются сериями из однотипных приборов на смеж­ные участки диапазона. Кроме того, часто требуется дополнение ИГ встроенным частотомером, в качестве которых с успехом используются РЧ.

Перечисленные типы ЗГ ограничивают и число возможных видов модуляции в СВЧ генераторах (РМ и FM). Частотная модуляция осуществляется в самом ЗГ, а амплитудно-импульсная может быть реализована также с помощью моду­лятора на PIN-диодах. Номенклатура РМ и FM -параметров регламентируется ГОСТ 14126—78 и ГОСТ 17193—71.

Отметим в заключение, что в современных ИГ применяются практически все виды СВЧ аттенюаторов, рассматриваемые в курсе «Антенны и устройства СВЧ». Кроме регулировки уровня выходного сигнала, с помощью аттенюаторов обеспе­чивается развязка между ЗГ и нагрузкой ИГ. Это необходимо для исключения влияния параметров нагрузки на стабильность сигнала ЗГ по частоте и уровню. Удовлетворительной считается развязка дБ. Если она обеспечивается аттенюатором, ей соответствует минимальное ослабление аттенюатора 10 дБ, что на порядок снижает уровень выходной мощности ИГ. Устранить этот недостаток можно с помощью ферритовых вентилей, имеющих малые прямые потери и боль­шое обратное ослабление.

СИНТЕЗАТОРЫ ЧАСТОТЫ

 

По определению (см. § 9.1) синтезатор частоты должен состоять из трех основных блоков (рис. 9.4). Опорным генератором является стандарт частоты (см. § 5.1) — кварцевый генератор. Блок опорных частот формирует из сигнала частоты ряд сигналов с фиксированными частотами , необходимых для по­следующего синтеза частот. Этот синтез осуществляется в последнем блоке, ко­торый и создает сетку частот синтезатора в требуемом диапазоне.

 

Рис. 9.4. Структурная схема синтезатора частоты.

 

Известно два алгоритма синтеза частот: прямой синтез, поясняемый струк­турной схемой рис. 9.5, а, и косвенный синтез (рис. 9.5, б). Прямой синтез пред­полагает выполнение над частотой четырех арифметических действий с по­следующей фильтрацией . При косвенном синтезе —частота перестраи­ваемого генератора, синхронизируемая с частотой при помощи системы ФАПЧ. Таким образом, косвенный синтез аналогичен диапазонно-кварцевой стабилизации частоты.

Рис. 9.5. Структурные схемы, поясняющие алгоритмы синтеза частот.

 

При умножении и делении получают ряд сигналов частот и , где и — любые целые числа. Последовательное применение этих операций дает возможность получить сигналы с частотами . Наконец, с помощью операций сложения и вычитания в смесителе образуют сигналы комбинационных частот. Исключительное распространение получили декадные синтезаторы, в которых сетка частот определяется соотношением

 

(9.1)

 

где , , ... — целые числа натурального ряда от 0 до 9, а М и т — фикси­рованные величины, определяющие диапазон частот синтезатора. Минимальное дискретное изменение называется шагом сетки частот. При малых шагах (например, 0,01 Гц) уже не имеет значения, что изменяется дискретно а не плавно.

Таким образом, основным функциональным узлом блока синтеза частот (см. рис. 9.4) является частотная декада, преобразующая одну из опорных ча­стот в несколько частот в пределах одного десятичного разряда. Число этих частот определяется конкретным видом соотношения (9.1).

При прямом синтезе частот каждая декада представляет собой генератор гармоник , которые выделяются при помощи полосовых фильтров. Декады со­держат обычно один или два смесителя в сочетании с делителем частоты в 10 раз и включаются последовательно или параллельно. При слишком больших коэффи­циентах умножения спектральные характеристики синтезатора и обычного LC-гeнератора уже не отличаются друг от друга, и это ограничивает верхнюю границу диапазона синтезируемых частот (поряд­ка 500 МГц).

При косвенном синтезе частот каждая декада имеет кольцо ФАПЧ и может вы­полняться как с умножением, так и с деле­нием частоты. Как правило, осуществля­ется деление частоты перестраиваемого генератора, и типовая структурная схема декады содержит делитель с переменным коэффициентом деления, ФД и ФНЧ. Как видно из рис. 9.6, , и при изменении n образуется сетка частот с шагом и диапазоном перестройки . Декады соединя­ются последовательно или параллельно с включением между ними делителей частоты в 10 раз и смесителей. При выборе значения в пределах 1...10 МГц удается перекрыть с помощью одного синтеза­тора диапазоны инфранизких, низких и высоких частот. Метод косвенного синтеза эффективен и в СВЧ диапазоне, хотя схемы фазовой синхронизации значительно усложняются и предусматривают последовательное преобразование частоты СВЧ генератора.