Плаксін С В, Погоріла Л М, Соколовський І І Інститут транспортних систем і технологій НАН України «Трансмаг» вул Писаржевського, 5, м Дніпропетровськ, 49005, Україна тел: +8 (056) 3702182, e-mail: svp(^westa-intercom

Анотація – Представлені результати розробки та експериментального дослідження високостабільного СВЧ-генератора, побудованого з використанням стабілізуючого (опорного) резонатора, що підключається по схемою смуг-но-відображає фільтра Показано, що для уникнення спотворення спектра при механічних навантаженнях (вібраціях) необхідно ДОСЯГТИ компромісу між величиною власної добротності стабілізуючого резонатора і мірою впливу зазначених дезорганізують факторів

I                                       Введення

При розробці радіохвильових методів контролю та управління високошвидкісними технологічними процесами важливим є створення високостабільних генераторів на базі діодів Ганна з низьким рівнем частотно- і амплітудно-модульованих шумів з прийнятним рівнем вихідного сигналу, довготривалою стабільністю частоти в інтервалі температур і при ускладнених умовах експлуатації (періодичні і випадкові вібрації, скачки і перепади живлячих напруг) Традиційна стабілотронная схема з високодобротного циліндричним резонатором виявляється досить ефективною, якщо вдається знайти компроміс між допустимої втратою потужності на стабілізацію і коефіцієнтом стабілізації При цьому слід мати на увазі, що чим більше потужність в робочій зоні стабілізації, тим менше смуга захоплення і утримання і що коефіцієнт стабілізації прямо пропорційний добротності стабілізуючого резонатора [1] З іншого боку, з урахуванням умов експлуатації (удари, вібрації, інші механічні навантаження) слід знайти компроміс між добротністю опорного резонатора і мірою дезорганізують факторів – вібрацій і доглядів живлячих напруг

II Роль нестабільності параметрів стабілізуючого резонатора

Правильно побудований СВЧ генератор, содер-жащій опорний стабілізуючий резонатор, повинен забезпечувати низькі значення модуляційної чутливості Догляди частоти і потужності тим нижче, чим вище навантажена добротність стабілізуючого резонатора Водночас з аналізу рівняння, що звязує зміни частоти коливань вихідного сигналу із змінами добротності стабілізуючого резонатора і його резонансної частоти періодичними механічними навантажених з частотою Fg, [2] слід, що з такою ж частотою буде змінюватися вихідний сигнал, породжуючи паразитную частотну модуляцію Причому, чим вище добротність опорного стабілізуючого резонатора, тим вище будуть догляди частоти при рівних умовах вібрацій Так як перебудова частоти опорних резонаторів здійснюється переважно безконтактними поршнями, то модуляція добротності і резонансної частоти при вібраціях стає практично неминучою, що й спричиняє за собою вказані вище нестабільності частоти і амплітуди коливань автогенератора в цілому

Ill спотворюється дію на спектр випромінювання генераторів лінії звязку з навантаженням при періодичних механічних нагружениях

Ступінь узгодження генератора з навантаженням повинна бути достатньо високою, КСХН повинен бути порядку 1,3 або менше Більш високі значення КСХН призводять до погіршення режиму роботи генератора Зокрема, зростає вплив фази навантаження на стабільність рівня вихідної потужності генератора В [3] наведено вираз для змін потужності генератора від величини КСХН і фази навантаження Ψ ■

де ^ 0 – коефіцієнт, залежить від конкретної

схеми генератора і визначається експериментально На рис 1 представлений характер зміни вихідної потужності генератора від фази навантаження

Рис 1 Залежність амплітудної модуляції НВЧ сигналу від фазового відстані до навантаження при різних значеннях коефіцієнта стоячої хвилі

Fig 1 Microwave signal AM vs phase distance to the load at different values of SWR

Зазначена залежність є відображенням того, що умови експлуатації генератора можуть зявитися причиною погіршення шумових характеристик генератора Так як лінія звязку генератора з навантаженням представляє собою найчастіше поєднання окремих відрізків хвилеводів і розвязують пристроїв, повязаних за допомогою фланцевих зєднань, механічні навантаження викликають зміни як модуля коефіцієнта відображення, так і його фази, що викликає додаткову амплитудную модуляцію вихідного сигналу

В силу амплітудно-частотної конверсії в генераторах Ганна [1], амплітудна модуляція викликає частотну модуляцію Ступінь прояву зазначеної паразитної модуляції залежить від виду АЧХ генератора, для ГАННІВСЬКА генераторів, зокрема, залежить від виду частотної залежності діода Ганна Це означає, що необхідні пошуки таких способів І технічних рішень щодо зниження шумів в генераторах, які б були адаптовані до реальних умов експлуатації

З трьох МОЖЛИВИХ способів включення стабілізуючого резонатора – «на віддзеркалення», «на прохід» І ПО схемою смугасто-відбиваючого фільтра [3] – більш вигідна виявилося останнє рішення

IV Конструювання генератора

На рис 2 представлено одне з таких побудов ДЛЯ 3-см генератора з перетином хвилеводу 23×5 мм ^

Рис 2 Загальний вигляд (а) і конструкція (б) високостабільного генераторного модуля сантиметрового діапазону:

1 -ДГ типу ЗА726А 2 – фільтр нижніх частот (із співвідношенням протяжності низькоомних і високоомних ділянок лінії відповідно

0,                     1 λο і 0,2 Ло) 3 – вузол кріплення напівпровідникового діода [4] 4 – опорний циліндричний резонатор на хвилі типу Нои 5 – настроювальні штирі 6 – узгоджена баластова навантаження

Fig 2 Appearance (а) and design (b) of high-stable oscillator module for cm-waveband: 1 – 3A 726A 2 – low-pass filter 3 – attachment point for semiconductor diode [4] 4 – reference cylindrical cavity on the wave of H011 type 5 – tuning posts 6 – matched ballast load

Спосіб підключення стабілізуючого резонатора показаний на рис 3:

Рис 3 Включення опорного резонатора в хвилеводну лінію послідовно з хвилеводом

Fig 3 Reference cavity engaging into the waveguide section in series with the waveguide

Величина звязку (розмір щілини) вибиралася з умови, що задовольняє трьом вимогам: досить високий коефіцієнт стабілізації, допустимих втрат НВЧ сигналу на стабілізацію і стійкості автоколебательного режиму при вібраціях У розробленій нами конструкції розмір щілини становив 13×1 мм ^ при товщині стінки хвилеводу В області отвори звязку порядку 1 мм

Виміряний коефіцієнт стабілізації, як різниця (за логарифмічною шкалою) в рівні бічних складових спектра при наявності стабілізуючого плеча І за відсутності стабілізуючого плеча (останній стан досягалося перебудовою з ДОПОМОГОЮ КЗ-поршня (мал2а) частоти генерації за межі смуги захоплення стабілізуючого резонатора) при подачі в ланцюг харчування ДГ напруги частотою 30 МГц (від генератора Г4-6) склав величину порядку 80 дБ

7 Випробування двох генераторних модулів, в яких були вжиті всі необхідні заходи щодо забезпечення ВИСОКОЇ фіксує здібності, з різним рівнем ЧС-шумів, виміряних в лабораторних умовах, як джерел гетеродинного сигналу в складі приймальної частини доплеровской РЛС, продемонстрували, здавалося б, неймовірну річ: гетеродин з рівнем ЧС-шумів 70-75 дБ / Гц на відбудову 5кГц ВІД несучої забезпечував більш вьюокіе показники ПО чутливості приймальної частини РЛС, ніж гетеродин з показниками 80-84 дБ / Гц Треба думати, позначився вплив інтенсивної вібрації, викликаної електровентиляторами

Мабуть, є можливості змінити ситуацію Саме: всі варіації добротності і резонансної частоти стабілізуючого резонатора, викликані зазначеними дезорганизующими факторами, передаються в активний елемент – діод Ганна, викликаючи модуляцію його повної провідності І, отже, додаткові флуктуації амплітуди і частоти ВИХІДНИХ СВЧ коливань Причому, ступінь прояву зазначеної паразитної модуляції залежить ВІД виду АЧХ активного контуру автогенератора, що містить ДІОД Ганна Для того, щоб мінімізувати паразитне модуляцію амплітуди коливань, слід синтезувати якусь коливальну систему, яка б забезпечувала широкосмугову АЧХ В [5] запропоновано таке рішення, в основу якого покладено паралельно-послідовне зєднання діодів Ганна з различающимися параметрами активних областей в одній електродинамічної системі Однак аналіз такої системи, що включає також опорні стабілізуючі резонатори, являє собою окрему задачу

V                                   Висновок

Ускладнені умови експлуатації, саме вібрації, предявляють досить специфічні вимоги до величини добротності стабілізуючих опорних резонаторів – навантажена добротність їх не повинна бути надмірно великий, оскільки досягаються при ЦЬОМУ низькі рівні частотно-модульованих шумів генераторів в стаціонарних умовах трансформуються в аномально високі на частотах механічних збурень в умовах реальної експлуатації Прагнення мати у складі напівпровідникового автогенератора стабілізуючі резонатори з високою добротністю для отримання випромінювання з низьким рівнем ЧС-шумів виправдано, мабуть, лише при використанні генераторів в лабораторних умовах

[1] ЦарапкінД П Генератори НВЧ на діодах Ганна, – М: Радіо і звязок, 1982-110 с

[2] Овчаренко Л А Аналіз СВЧ автодинного вимірювального перетворювача для контролю плівкових / / Радіотехніка (Харків) – 1985 – Вип73 -С 126-131

[3] Лебедєв І В Техніка та прилади НВЧ – «Вища шко-ла» – 1970-421 с

[4] Патент Украта № 57222А МКІ Н01 Р 1/18 Вузол κρίπ-лення нап1впров1днікового д1ода / 11 Соколовський,

С В Плакс1н, Л М Погорта та in, Бюл № 6, опубл16062003

[5] А с (СРСР) 1337986 МКИ 4 НОЗВ 7/14 Генератор /

І І Соколовський, Г С ганяю, В Ф Коломейцев,

В І Самойлов Опубл 150887, Бюл № 34

FEATURES OF SEMICONDUCTOR HIGH-STABLE MICROWAVE GENERATORS DESIGN

Sokolovskiy I I, Plaksin S V, Pogorelaya L M Institute of Transport Systems and Technologies of Ukraine NAS «Transmag»

Pisargevskogo st, 5, Dnepropetrovsk, 49005, Ukraine тел: +8 (056) 3702182, e-mail: svp @ westa-intercom

Abstract – Presented in this paper are the results of experimental research of highly stable SHF-generator designed using stabilizing (basic) resonator, based on band-reflecting filter circuit It is shown that in order to prevent spectrum distortion at mechanical loadings (vibrations) it is necessary to compromise between Q-factor and the influence of specified disorganization factors

I                                       Introduction

At design of radio-wave control methods it is important to create high-stable oscillators on the basis of Guinn-diodes with low level of PM and AM signals, permanent frequency stability within temperature range and at complicated environment (periodical and random vibrations, voltage jumps and stops) Common stabilotron circuit with high-Q cylindrical resonator is highly efficient, provided the compromise between the power loss possible and stabilization factor It should be noted that the higher is power in the active stabilization zone, the lower are capture and holding ranges, and that stabilization factor is directly proportional to the equalizing resonator Q On the other hand, taking into account the environment conditions (punches, vibrations and other mechanical loads) it is necessary to compromise between the reference cavity Q and the measure of disorganizing factors (vibrations and feed voltage drift)

II                                        Main Part

Correctly designed microwave oscillator, including reference cavity, should provide low modulation sensitivity The higher is working Q of the reference cavity, the lower are frequency and power drifts At the same time from analysis of [2] it follows that the output signal will be changing with the same frequency, causing frequency modulation The higher is the reference cavity Q, the higher are frequency drifts at the equal vibration conditions As long as frequency tuning for the reference cavities is mainly carried out using noncontact pistons, Q and resonance frequency modulation at vibrations is almost impossible, that causes the above mentioned frequency and amplitude fluctuations

The oscillator should be highly matched with the load, VSWR should be 1,3 or lower The higher VSWR leads to poor operation of the oscillator In particular, the load phase influence on the output power level stability is increasing By virtue of amplitude-frequency conversion in Gunn oscillators [1] amplitude modulation generates frequency modulation The degree of the specified parasitic modulation depends on the kind of Gunn-oscillator AFC The special design of the active circuit containing parallel-serial connection of several Gunn diodes with different active area lengths provides broadband AFC, and, hence low amplitude and frequency parasitic modulation

The stabilization factor measured is approx 80 dB

After the tests, oscillator with FM-noise level 70-75 dB/Hz at 5-7 kHz drift from the carrier frequency has shown higher receiving sensitivity than oscillator with FM-noise level 80- 84 dB/Hz Probably, intensive vibration caused by electric fans has affected

III                                       Conclusion

Complicated operating conditions, namely vibrations, make rather specific demands to reference cavities Q The loaded Q should not be extremely high

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р