научная статья по теме ВЫЧИТАНИЕ СИГНАЛОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИНХРОНИЗИРОВАННЫХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ Электроника. Радиотехника
Текст научной статьи на тему «ВЫЧИТАНИЕ СИГНАЛОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИНХРОНИЗИРОВАННЫХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГЕНЕРАТОРАХ»
РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 3, с. 373-379
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ^^^^^^^^^^ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
ВЫЧИТАНИЕ СИГНАЛОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СИНХРОНИЗИРОВАННЫХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ
ГЕНЕРАТОРАХ © 2004 г. Д. А. Усанов, А. В. Скрипаль, Д. В. Ульянов
Поступила в редакцию 07.05.2001 г.
Теоретически описан и экспериментально исследован режим вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора на диоде Ганна. Установлена высокая чувствительность исследованного режима работы синхронизированного генератора к изменению собственной частоты и мощности генерации диода Ганна. Показана возможность использования режима вычитания сигналов в полупроводниковых синхронизированных СВЧ-генераторах для высокоточной индикации изменения параметров объектов, вносимых в резонаторную систему генератора.
К настоящему времени опубликовано большое число работ, посвященных исследованию физики полупроводниковых СВЧ-генераторов в режиме синхронизации [1-4], на основе которых может быть реализован широкий круг устройств, выполняющих разнообразные радиотехнические функции. Использование явления синхронизации позволяет существенно повысить как долговременную, так и кратковременную стабильность частоты полупроводниковых СВЧ-генераторов, при этом существенно снижается уровень частотно-модулированных шумов синхронизированного генератора (СГ) [2-6]. При анализе работы систем на синхронизированных полупроводниковых СВЧ-генераторах большое внимание уделялось повышению эффективности их синхронизации за счет использования многоконтурных схем, создания дополнительной цепи высокочастотной обратной связи, применения схем автоподстройки частоты автогенератора [2]. Достаточно подробно рассмотрены вопросы использования явления синхронизации в автоколебательных системах сложения мощностей активных элементов в общей нагрузке [7]. В ряде работ описано использование СГ, работающих в режиме активного фазовращателя, для создания систем с регулируемыми амплитудой и фазой выходного колебания [8, 9], необходимых, например, для построения активных фазированных решеток.
Совершенствование широко применяемых в технике СВЧ схем сравнения (мостовых схем) [10] также возможно путем введения в них дополнительных фазочувствительных элементов, в качестве которых могут быть использованы СГ [11], так как явление синхронизации, во-первых, обеспечивает в стационарном режиме постоянство разности фаз ф между выходным сигналом авто-
генератора и синхросигналом, что делает эти сигналы когерентными, а, во-вторых, разность фаз ф
может изменяться от - 2- до 2- при небольших (менее 1%) изменениях частоты синхросигнала или собственной частоты автогенератора. Путем выбора необходимых фазовых и амплитудных соотношений между синхросигналом и выходным сигналом СГ это позволяет добиться оптимальной величины мощности выходного сигнала и резко повысить фазовую чувствительность схем сравнения.
В данной работе на примере генератора на диоде Ганна исследуется СГ СВЧ-диапазона в схеме сравнения в режиме вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала СГ на общей нагрузке с целью обнаружения закономерностей, открывающих перспективу новых практических применений.
1. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Рассмотрим модель одноконтурного диодного СГ с резистивным активным полупроводниковым
Рис. 1. Эквивалентная схема одноконтурного диодного синхронизированного генератора.
элементом (рис. 1), вольт-амперная характеристика (ВАХ) которого имеет участок отрицательной дифференциальной проводимости в(и), зависящей от амплитуды переменного напряжения и по квадратичному закону [12]:
Амплитудно-частотные у(х) и фазочастотные ф(х) характеристики такого СГ описываются уравнениями [13]
жательной схеме мощность синхронизирующего Г2
сигнала Рс = -г--;— величина постоянная и не за-
висит от частотной расстройки.
Для расчета выходной МЧХ генератора Рвых(х), измеряемой на нагрузке в0, воспользуемся условием баланса активных мощностей для основной гармоники сигнала в стационарном режиме, записанным для нормированных величин:
а условия устойчивости колебаний в стационарном режиме имеют вид
у > 0.5 и х2 + (у-1)(3 у-1 )> 0.
В качестве переменных, характеризующих частотную расстройку, амплитуду колебаний и амплитуду внешнего воздействия, в уравнениях (2) и (3) используются соответственно
т , й0 = —-, ю0 и и0 - частота собствен-
ных колебаний автономного генератора и их амплитуда, ю и Ес = 1с/в0 - частота и амплитуда внешнего воздействия.
При рассмотрении генераторов СВЧ-диапазо-на важное значение для практики имеют мощно-стно-частотные характеристики (МЧХ) активного элемента, т.е. зависимости мощности первой гармоники Р1(х), отдаваемой активным элементом, от величины частотной расстройки.
Величина мощности первой гармоники Р1, отдаваемой активным элементом, определяется соотношением
Р1( и) = 0.511 (и) и = -0.5 (вА - а и2) и2, (5)
где 11 = в(и)и - колебательная характеристика активного резистивного элемента.
Нормированная мощность р1, отдаваемая активным элементом, определяется соотношением
Р1 в в А I - А 1 | 2
Р1 = тт = ТТ- у = - т-- у +I тт - 11 у '
где Рс = — = — , Рвых = -
мощности синхросигнала и сигнала на нагрузке в0 соответственно.
Поскольку при внешней синхронизации в стационарном режиме обеспечивается постоянство разности фаз между выходным сигналом автогенератора и синхросигналом, представляет интерес исследование закономерностей поведения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик сигнала на общей нагрузке вь при вычитании на последней выходного сигнала автогенератора Рвых и воздействующего синхросигнала Рс.
Ток в нагрузке вь может быть представлен в виде
¡ь = ¡сь яп (юг + а) + I,
где !вых и ¡сь - амплитуды токов, наводимых выходным сигналом СГ на нагрузке вь и синхросигналом на этой же нагрузке при его непосредственной подаче на нагрузку вь, ф(х) - разность фаз, зависящая от частотной расстройки внутри полосы синхронизации, а и в - начальные разности фаз, определяемые электрической длиной линий передач сигналов в нагрузку вь. Поскольку изменение частоты синхросигнала и выходного сигнала генератора в полосе синхронизации составляет менее 1%, изменением величин а и в по сравнению с ф можно пренебречь и считать а и в в каждой конкретной электрической схеме постоянными величинами.
где Р0 = 0.5 в0 и о - мощность автономного генератора.
При согласовании внутренней проводимости источника синхросигнала с проводимостью нагрузки и волновой проводимостью линии передачи в отра-
Амплитуды токов 1вых и ¡сь в нагрузке вь при согласовании проводимости нагрузки с выходным сопротивлением генератора в0 и внутренней проводимостью источника синхросигнала определяются с использованием соотношений
¡вых = 12 Рвыхв0' ¡сь = 4к 22 Рсьв0' (8)
где к1 и к2 - коэффициенты передачи мощности выходного сигнала генератора и синхросигнала в общую нагрузку, связанные с потерями в линиях передачи.
При сложении когерентных сигналов фаза у и амплитуда 1Ь0 результирующего тока в нагрузке 1Ь = 1Ь0 8т(ш£ + у) определяются выражениями
1сь 8Ш(а) +1ВЬ1Х8ш(в - ф)-_!сь С08 (а ) + I ВыХ С08 ( в - ф ).
+ 21сь,1 выхС08(в - ф - а). (10)
При равенстве амплитуд токов I полнении фазового условия
возможна реализация почти полного гашения сигнала 1Ь.
В полосе синхронизации разность фаз ф выходного сигнала генератора и синхросигнала может
изменяться от - 2 до 2 ; при выполнении условия
П < в - а < 3 п это позволяет добиться противо-
фазности складываемых сигналов при изменении величины частотной расстройки х. Мощность, выделяемая на нагрузке ОЬ при протекании тока 1Ь, рассчитывается по формуле
На рис. 2 представлены фазочастотные у(х) (кривые 1,3) и нормированные на выходную мощность автономного генератора мощностно-частот-ные РЬ(х)/Р0 (кривые 2,4) характеристики сигнала на нагрузке ОЬ при протекании тока 1Ь, рассчитанные при различных значениях Г и разности начальных фаз в - а.
На фазочастотных характеристиках у(х) в окрестности минимума МЧХ наблюдается резкое (вплоть до скачкообразного) изменение фазы выходного сигнала у на величину
п. При значениях Г, меньших оптимального Г0, т.е. когда достигается выполнение условия 1СЬ = 1вых, тангенс угла наклона для кривых, описывающих фазочастотные характеристики в окрестности минимума МЧХ, положителен и увеличивается по мере приближения Г к Г0. При превышении Г величины Г0 тангенс угла наклона указанной характеристики скачкообразно меняет знак с положительного на отрицательный. Дальнейшее увеличение Г уменьшает угол наклона.
Из результатов расчета МЧХ РЬ(х)/Р0 выходного сигнала в полосе синхронизации при различных значениях Г следует, что величина выходной мощности в минимуме МЧХ, соответствующем выполнению фазового условия (11), немонотонно зависит от величины синхросигнала. При оптимальной величине синхросигнала (сплошная кривая 2 на рис. 2) на частоте, соответствующей ми-
Рис. 2. Фазочастотные у(х) (кривые 1, 3) и мощност-но-частотные Р^(х)/Р0 (кривые 2, 4) характеристики выходного сигнала одноконтурного генератора: 1 и 2 при в - а = 3п/4; 3 и 4 при в - а = 4п/3; штриховые кривые - Г = 0.8, сплошные кривые - Г = 1.0, пунктирные кривые - Г = 1.2.
нимуму МЧХ, наблюдается максимальное подавление мощности выходного сигнала на нагрузке Оь.
Выполненные расчеты свидетельствуют о том, что изменение разности в - а приводит к изменению положения минимума на кривой МЧХ (кривая 4 на рис. 2). При этом результат вычитания сигналов в минимуме кривой МЧХ при фиксированной величине Г для различных значений в - а неодинаков, так как определяется разностью амплитуд токов 1СЬ и 1вых
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.