Параметры и характеристики

Диапазон перестройки частоты, рабочий диапазон частот

Под рабочим диапазоном частот генератора понимается тот интервал частот, в котором прибор обеспечивает выходную мощность и другие параметры не хуже величин, указанных в технической документации. В рабочем диапазоне частот перестройка частоты генератора может осуществляться за счёт совместного или раздельного действия механической или электрической перестройки частоты. Для генераторов с фиксированной частотой диапазон частот означает, что прибор данного типа при изготовлении может быть настроен на любую фиксированную частоту в указанном диапазоне. Под диапазоном частот для перестраиваемых генераторов понимается диапазон, в котором могут изготовляться приборы этого типа с указанным диапазоном перестройки частоты (рабочим диапазоном).

Ширина диапазона перестройки частоты генератора (механической или электрической) численно характеризуется либо абсолютными величинами частоты

(6.14)

либо относительной величиной δf [%]:

(6.15)

где f _макс и f _мин — максимальная и минимальная граничные частоты диапазона перестройки частоты.

Коэффициент перекрытия диапазона

(6.16)

Используется для оценки величины диапазона перестройки частоты.

Небольшой диапазон перестройки удобнее характеризовать в абсолютных величинах частоты (мегагерцы или гигагерцы).

Электрическая перестройка частоты генератора осуществляется изменением напряжения смещения дополнительного диода — варикапа, а также изменением напряжения на самом активном элементе. Так как зависимость ёмкости варикапа от напряжения смещения является нелинейной, то это приводит к нелинейному характеру изменения частоты генератора. Кроме диапазона электрической перестройки для генераторов указывается крутизна электрической перестройки частоты, которая характеризует изменение частоты генерируемых колебаний, приходящееся на 1 В изменения напряжения смещения варикапа. Если электрическая перестройка частоты имеет нелинейный характер, то указывается, либо минимальное значение крутизны перестройки, либо минимальное S _мин и максимальное S _макс значение крутизны.

 

Характер зависимости частоты ГЛПД от напряжения смещения на варикапе

 

Степень искажения характеристики электрической перестройки частоты оценивается величиной перепада крутизны электрической перестройки δ_S в рабочем диапазоне частот

(6.17)

6.9.2 Стабильность частоты генератора

Стабильность частоты является одной из главных характеристик генератора, во многом определяющая перспективы его использования. Различают:

а) кратковременную стабильность — изменение частоты за период времени порядка нескольких секунд;

б) средневременную стабильность — изменение частоты за период времени порядка часов или температурную стабильность;

в) долговременную стабильность — изменение частоты за период времени порядка года.

Кратковременная стабильность (шумовые характеристики) определяется быстрыми изменениями в элементах генератора с одной стороны и эффективной добротностью резонатора с другой.

Средневременная стабильность определяется главным образом температурными зависимостями частоты генератора.

Долговременная стабильность связана с медленными изменениями частот, которые происходят по многим причинам.

Известно, что величины стабильности частоты и шумов существенно зависят от интенсивности воздействия на них дестабилизирующих факторов, которые по своему характеру воздействия подразделяются на внешние и внутренние и могут вызывать как обратимые, так и необратимые изменения частоты, шумов и других электрических параметров и характеристик. При этом наиболее существенными внешними дестабилизирующими факторами являются тепловые (изменения температуры окружающей среды в широких пределах), а также изменения питающих напряжений и механико-акустического воздействия.

Внутренние дестабилизирующие факторы, приводящие, как правило, к необратимым изменениям параметров, связаны с физическими, конструкторско-технологическими изменениями, происходящими в активных и пассивных приборах и конструктивных элементах. Основными и наиболее существенными факторами, приводящие к внутренним изменениям генераторов, являются интенсивные тепловые нагрузки.

В общем виде нестабильность СВЧ генераторов, вызываемую внешними и внутренними дестабилизирующими факторами, можно представить в виде

(6.18)

 

где f 0 –	фиксированная частота генератора до воздействия на него дестабилизирующих факторов;
Δ f –	общее изменение частоты генератора при воздействии на него всех дестабилизирующих факторов;
i –	количество компонент нестабильности частоты генератора, вызванных различными дестабилизирующими факторами.

В настоящее время исследуются и разрабатываются стабильные (10^-3 … 10^-4) и высокостабильные (10^-4 … 10^-5) полупроводниковые СВЧ генераторы малой (< 0,1 Вт) и повышенной (> 0,1 Вт) выходной мощности в сантиметровом миллиметровом диапазонах длин волн.

Выходная мощность

Под выходной мощностью генератора (непрерывной или импульсной) понимается минимальное значение мощности, выделяемой на согласованной высокочастотной нагрузке, в рабочем диапазоне частот. Обычно коэффициент стоячей волны (КСВН) ρ внешней высокочастотной нагрузки не должен превышать 1,3. При работе генераторов на нагрузку с ρ > 1,3 их выходные параметры могут существенно изменяться. В общем случае выходная мощность генераторов уменьшается с увеличением частот генерируемых колебаний. Это связано с физическими процессами работы генераторов. При перестройке частоты генерируемых колебаний в пределах рабочего диапазона наблюдается изменение мощности, характер которого в частотном диапазоне зависит от вида генератора и способа перестройки частоты.

 

Характер изменения уровня выходной мощности генераторов на ЛПД

Изменение мощности происходит как в результате изменения отрицательного сопротивления генератора в диапазоне частот перестройки, так и из-за ухудшения согласования импеданса генератора и нагрузки.

Степень неравномерности выходной мощности при перестройке частот генераторов обычно оцениваются величиной перепада выходной мощности Δ P _вых в диапазоне электрической (или механической) перестройки

(6.19)

где P _{вых макс} и P _{вых мин} — максимальное и минимальное значение выходной мощности в диапазоне перестройки частоты.

6.9.4 Спектральная плотность шумов (амплитудных, частотных)

Коле6ания СВЧ генераторов не являются монохроматическими, т.е. спектр колебаний генераторов занимает некоторую полосу частот. Такое расширение спектральной линии генераторов обусловлено хаотическими флюктуациями носителей заряда, а также воздействием дестабилизирующих факторов (пульсаций напряжения и тока источника питания, вибрации, недостаточной экранировки, плохому заземлению и т.д.). Спектр колебаний генераторов в непрерывном режиме существенно зависит от добротности внешней колебательной системы и связи с нагрузкой. При достаточной добротности внешней колебательной системы и оптимальной связи генератора с нагрузкой наблюдается наиболее чистый спектр, близкий к спектру монохроматического колебания.

Спектр СВЧ мощности генератора является общей характеристикой фазовых шумов, которые состоят из частотно-модулированных (ЧМ-шумы) и амплитудно-модулированных шумов (АМ-шумы). Спектр содержит сигнальную линию бесконечно малой ширины и фазовые шумы. Нарушение монохроматичности колебаний генератора связано с хаотическими флюктуациями его частоты и амплитуды (мощности), т.е. с частотными и амплитудными шумами. Они создают шумовой спектр в широкой полосе частот. Среднеквадратичные значения мощности шумов располагаются симметрично относительно несущей частоты f ₀.

 

Спектр СВЧ мощности генератора

 

Уровень амплитудных флюктуаций генератора N _ш(АМ) характеризуется отношением спектральной плотности мощности шума P _{ш (Δ f )} к мощности автоколебаний P ₀. Величину N _ш(АМ) удобнее выражать не в относительных единицах, а в децибелах

(6.20)

Величину N _ш(АМ) называют спектральной плотностью флюктуации амплитуды (мощности) или спектральной плотностью амплитудных шумов, а чаще просто величиной амплитудных шумов (АМ-шумы).

По аналогии качество генератора по ЧМ-шумам определяется отношением мощности шумов одной боковой полосы, P _{ш (Δ f )} к полной мощности сигнала p ₀ на несущей частоте f ₀. Это отношение берётся при отстройке f _м от несущей в полосе Δ f = 1 Гц, Отношение P _{ш (Δ f )} / P ₀ показывает, на сколько децибел значение мощности шумов ниже мощности сигнала на несущей частоте.

(6.21)

На практике эту величину называют просто величиной частотных шумов (ЧМ-шумы). Действительная полоса Δ f, употребляемая при измерениях, может быть больше 1 Гц, однако для сравнения она должна быть приведена к 1 Гц.

Величины частотных и амплитудных шумов СВЧ генераторов на полупроводниковых приборах самые большие вблизи частоты автоколебаний; по мере удаления от нее значения этих шумов значительно уменьшаются. Для использования в аппаратуре важно знать, как шумы в непосредственной близости от частоты автоколебаний, так и шумы на частотах, отстоящих от основной на величину используемых в аппаратуре промежуточных частот. В первом случае обычно говорят о допплеровских шумах (диапазон 1 … 500 кГц), а во втором — о шумах на промежуточной частоте (диапазон 80 … 500 МГц).

Из СВЧ генераторов на полупроводниковых приборах наибольшими шумами обладают ГЛПД, что связано с процессом лавинного пробоя. Уровень амплитудных шумов ГЛПД на 10 … 20 дБ, а частотных на 20 … 40 дБ больше по сравнению с отражательными клистронами. Уровень шумов ГЛПД на кремниевых диодах на 5 … 10 дБ может быть больше, чем на германиевых диодах.

Остальные параметры ГЛПД не требуют специального пояснения, так как их физический смысл понятен из самого названия. Следует отметить, что допустимый уровень СВЧ источника указывается для генераторов при использовании в фазированной антенной решётке (ФАР) в качестве активного модуля и на него непосредственно может воздействовать СВЧ мощность постороннего источника.

Параметры ГЛПД сильно зависят от тока питания. В связи с этим каждый экземпляр генератора имеет (если нет встроенного источника питания) свой номинальный ток, который указывается в паспорте на прибор. Отклонение от этого оптимального режима может привести к ухудшению параметров или даже к выходу прибора из строя.

Прежде всего, следует помнить, что все СВЧ генераторы на полупроводниковых приборах в еще большой степени, чем низкочастотные полупроводниковые приборы, чувствительны к электрическим перегрузкам. Связано это с тем, что в СВЧ полупроводниковых приборах р–n -переход значительно тоньше, а тепловые нагрузки значительно выше, чем у низкочастотных приборов. Поэтому превышение паспортного электрического режима даже кратковременно (доли секунды) может привести к пробою прибора.

При использовании генератора, рассчитанного на непрерывный режим, в импульсном режиме необходимо подавать импульсный ток, не превышающий ток для непрерывного режима.

Характер зависимости выходной мощности ГЛПД от тока питания. При малых значениях питающего тока генерация отсутствует, и лишь по достижении некоторого пускового значения I _пуск (точка I) начинается генерация. По мере дальнейшего роста тока питания выходная мощность увеличивается, вплоть до выхода из строя активного элемента (точка 2). От изменения тока частота генерируемых колебаний также заметно изменяется.

 

Зависимость выходной мощности ГЛПД от тока питания

Поэтому для получения стабильных во времени частоты и мощности ГЛПД должны питаться от источника стабилизированного тока. Связано это с тем, что ЛПД работают на участке лавинного пробоя и небольшие изменения напряжения питания приводят к значительным изменениям тока. Более того, даже при совершенно стабильном напряжении питания ток диода будет изменяться при колебаниях температуры окружающей среды и разогрева диода. Величины допустимых нестабильностей и пульсаций тока питания определяются требованиями к стабильностям частоты и мощности генератора и указываются в техническом паспорте прибора.

Выходная мощность и частота генерируемых колебаний генераторов зависит от КСВН нагрузки. При плохом согласовании генератора с высокочастотной нагрузкой часть выходной мощности отражается от нагрузки и поступает в генератор, что может вызвать возбуждение паразитных колебаний. При изменении параметров высокочастотной нагрузки изменяется и частота генерируемых колебаний. Это явление называется затягиванием частоты. Чтобы избежать нестабильной работы генератора на высокочастотную нагрузку с большим значением КСВН (больше 1,5), включают между генератором и нагрузкой ферритовый вентиль или развязывающий аттенюатор. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению частоты и мощности колебаний генераторов при неизменном токе питания. Нестабильность выходной мощности не более 0,03дБ / ^∘C. Напряжение перестройки 0 … 20 В. Интервал рабочих температур от-5 до +500^∘C.

В настоящее время накоплен немалый опыт их применения в приёмо-передающих модулях активных фазированных антенных решеток (АФАР), радиомаяках, генераторах накачки параметрических усилителей, связных и телеметрических передатчиках, РЛС малой мощности

 

 

Список используемой литературы:

http://www.diod-manual.ru/popupmenu.php

http://rsdn.ru/article/diononlon_7_08.xml

http://www.diodhikingdom.ru/asp/viewitem.asp?catalogid=1207

http://www.realcoding.net/article/view/447

http://articles.org.ru/delphi7/Glava31/index6.php