Анализ и разработка широкодиапазонного СВЧ генератора на основе автодинной генераторно-преобразовательной системы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Ежов, Сергей Владимирович

• Ежов, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2001

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ежов, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ИМПЕДАНСНЫХ СВОЙСТВ ГАННОВСКОГО

ДИОДА

1.1 Проводимость диода на основе электронной теории ганновского элемента

1.2 Проводимость ганновского диода на основе его вольт-амперной характеристики (В АХ)

1.3 Расчет проводимостей автодинной генераторно-преобразовательной системы по различным частотным каналам

Выводы

2. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЯ АВТОДИННОЙ ГЕНЕРАТОРНО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Составление уравнения на основе эквивалентной схемы автодинной системы

2.2 Решение уравнения авто дина относительно амплитуды и фазы автодинных колебаний

2.3 Анализ результатов решения уравнения автодинной генераторно-преобразовательной системы

2.4 Потери преобразования

Выводы

3. АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ КОЛЕБАНИЙ АВТОДИННОЙ

ГЕНЕРАТОРНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

3.1 Некоторые общие теоретические положения

3.2 Расчет первой, второй ляпуновских величин и а, А - параметров системы

3.3 Анализ устойчивости автодинной системы к изменению её параметров

Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ШИРОКОДИАПАЗОННОГО

СВЧ ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ АВТОДИННОЙ СИСТЕМЫ

4.1 Построение широкодиапазонного вспомогательного генератора

4.2 Разработка автодинной системы в выбранном частотном диапазоне

4.3 Экспериментальное исследование и сопоставление практических результатов с расчетными

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и разработка широкодиапазонного СВЧ генератора на основе автодинной генераторно-преобразовательной системы»

В настоящее время решение ряда научно-технических задач прикладной радиотехники в значительной мере зависит от создания широкодиапазонных (сверхширокодиапазонных) СВЧ генераторов, удовлетворяющих одновременно требованиям широкого диапазона перестройки (более октавы), высокой линейности модуляционной характеристики (не хуже 1%) и высокой скорости развёртывания частотной панорамы (единицы микросекунд). Отсутствие таких генераторов отрицательно сказывается на решении прежде всего специальных задач, среди которых следует отметить разработку панорамных радиоприёмных устройств анализа эфира, высокоскоростных активных частотно-определительных систем, частотных синтезаторов диапазонов сверхвысоких и крайне высоких частот и других. Кроме того, генераторы СВЧ с высокоскоростной электронной перестройкой необходимы для работы в составе фазированных антенных решеток с частотным сканированием, поскольку диапазон частотной перестройки современных генераторов, составляющий 10-20%, не позволяет повысить важнейший параметр-углочастотную чувствительность, что заставляет разработчиков идти на значительное усложнение конструкции решеток [68]. Наконец, решение задач контроля работоспособности широкополосной приёмо-передающей радиоаппаратуры требует также наличия широкодиапазонных СВЧ генераторов. Необходимо упомянуть и о большом количестве прикладных радиотехнических задач конверсионного характера, решение которых напрямую зависит от наличия широкодиапазонных СВЧ генераторов; например, твердотельные генераторы с варакторной перестройкой частоты с конца 80х годов применяются в связной космической и телевизионной аппаратуре коммерческого применения «Орфей», «Октант», «Гвоздика», «Орион» и др.[65]. Таким образом, в настоящее время направление перестраиваемых широкодиапазонных генераторов СВЧ колебаний остаётся весьма актуальным. 5

Вопросы генерации колебаний в СВЧ диапазоне длин волн достаточно хорошо проработаны. Теория и основы проектирования СВЧ автогенераторов и автодинов на полупроводниковых приборах, изложенные в многочисленных работах [4,12,13,20,21,23,62,63], доведены до уровня, позволяющего проводить инженерные разработки [22,27,47-49]. Работы по созданию перестраиваемых СВЧ генераторов основываются на трех базовых способах получения частотной перестройки: механическом, электронном и магнитном. Каждый из способов достаточно хорошо развит, но ни один не даёт возможности реализовать необходимый комплекс характеристик, упомянутых выше.

Генераторы с механической перестройкой позволяют получить диапазон частотной перестройки до нескольких десятков процентов [41,45], но обладают очень низкой скоростью развертывания частотной панорамы. Так в работе [45] при использовании волноводной конструкции получена перестройка в рабочей полосе волновода 26,5-40ГГц.

Генераторы с магнитной перестройкой частоты в своё время решили проблему получения широкодиапазонной генерации, позволив реализовать одновременно два параметра из трёх: весьма широкие (до 50%) диапазоны перестройки [41,46,62] и приемлемую линейность модуляционной характеристики (не хуже 1-2%). Речь идет о транзисторных и ганновских СВЧ генераторах, имеющих в качестве частотного управителя сверхминиатюрные СВЧ резонаторы из железоиттриевого граната (ЖИГ-сферы). Однако большая инерционность управляющих магнитных систем не позволяет рассматривать эти генераторы как высокоскоростные; частотная панорама в таких генераторах разворачивается за десятки миллисекунд, что не позволяет применить их в радиотехнической аппаратуре, к которой предъявлены требования высокой скорости перестройки. Кроме того, весогабаритные характеристики генераторов с магнитной перестройкой, особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона, оставляют желать лучшего. По последним двум причинам широкодиапазонные генераторы с магнитной перестройкой 6 нашли применение, в основном, в радиоизмерительной полуавтоматической аппаратуре.

Среди генераторов с электронной перестройкой частоты, основные области применения которых - линии связи с частотной модуляцией, измерительная аппаратура, системы радиопротиводействия, наибольшее распространение получили СВЧ генераторы, у которых в качестве частотных управителей применяются СВЧ варакторы (диоды с эффективно изменяемой ёмкостью в зависимости от поданного на них управляющего напряжения). Главное достоинство варакторов - их относительная безынерционность -позволило сравнительно просто получить генераторы с высокой скоростью перестройки (лучшие варакторы позволяют развернуть частотную панораму за единицы микросекунд). Однако основной недостаток таких генераторов -высокая нелинейность модуляционной характеристики [39]. Именно у этих генераторов широкодиапазонность и линейность модуляционной характеристики находятся во взаимном противоречии [41-44,64], что может служить ещё одним подтверждением бесперспективности дальнейшего применения традиционного способа построения широкодиапазонных СВЧ генераторов. Кроме того, варактор, как частотный управитель, подлежит специальной разработке наравне с активным элементом генератора.

В работе [65] приведены последние достижения одного из ведущих предприятий - ГНПП «Исток» в области разработок твердотельных генераторов, в том числе и перестраиваемых. Выпускаемые ГНПП «Исток» перестраиваемые генераторы, в которых для обеспечения максимально возможных скоростей изменения частоты используется варакторная перестройка, широко применяются в системах радиоразведки и радиопротиводействия[65]. В большинстве своем генераторы выполнены по гибридно-интегральной технологии. Рабочий диапазон этих генераторов от 1 ГГц до 8 ГГц перекрывается четырьмя широкодиапазонными генераторами (1.2 ГГц, 2.4ГГц, 4.6ГГц, 6-8ГГц). Однако в диапазоне 25-120ГГц генераторы имеют пере7 стройку частоты не более 20% [65]. Таким образом, несмотря на значительное количество работ, проведенных в этом направлении, вопрос о генераторах с широкой и сверхширокой частотной перестройкой остаётся открытым и в настоящее время.

В свете вышеизложенного можно сказать, что создание широкодиапазонных генераторов СВЧ колебаний с высокой скоростью перестройки и высокой линейностью модуляционной характеристики остаётся нерешённой научно-технической проблемой. В настоящее время выдвигаемые разработчиками радиотехнической аппаратуры требования к широкодиапазонным СВЧ генераторам значительно опережают возможности реализации этих требований в области СВЧ техники, если ориентироваться на упомянутые традиционные способы построения таких генераторов. Последнее означает, что если не предпринимать в ближайшее время мер, направленных на решение обсуждаемой здесь проблемы, разработка упомянутой выше радиотехнической аппаратуры и, в первую очередь, специальной будет существенно затруднена.

Идея получения широкодиапазонного источника колебаний нетрадиционным путем сформулирована в работе [32]. В ней предлагается использование транспонирования «вниз» с помощью автодинной генераторно-преобразовательной системы, работающей в асинхронном режиме, колебаний вспомогательного более высокочастотного генератора, имеющего высокие скорость перестройки и линейность модуляционной характеристики.

Таким образом, представляется целесообразным перейти к нетрадиционному способу построения широкодиапазонных СВЧ генераторов, при котором генератор рассматривается не как активный элемент, а как сложное (состоящее из нескольких устройств) радиотехническое устройство, построение которого возможно схемным путём. Одним из таких способов может быть назван упомянутый выше способ транспонирования «вниз» колебаний вспомогательного перестраиваемого СВЧ генератора, рабочий диапазон час8 тот которого лежит заведомо выше диапазона частот, в котором предполагается создание основного широкодиапазонного генератора. В этом случае относительно неширокая полоса перестройки вспомогательного генератора в диапазоне, например, крайне высоких частот (КВЧ) может обеспечить достаточно широкую полосу перестройки основного генератора.

Такой подход к решению задачи снимает остроту вопроса о создании широкодиапазонного СВЧ генератора напрямую, поскольку для разработки перестраиваемого вспомогательного генератора требуется реализация небольшого в процентном отношении диапазона перестройки частоты, что под силу современной элементной базе с одной стороны и не вызывает принципиальных технических трудностей - с другой, поскольку требование перестройки в такой полосе для вспомогательного генератора является выполнимым. Это хорошо известные способы реализации вспомогательных генераторов, такие как перестройка ганновского или ЛПД генераторов с помощью варактора (роль варактора успешно выполняет ЛПД в докритическом режиме питания), либо перестройка частоты генерации ганновского генератора напряжением питания диода, что даёт хороший эффект при значительном снижении добротности колебательной системы генератора [14,37]. Последний способ является предпочтительным, поскольку не требует специального частотного управителя.

Вспомогательный перестраиваемый генератор - это один из элементов составного (сложного) генератора. Основным же звеном генератора является преобразователь частоты, к которому предъявляются два основных требования - широкополосность и малый уровень потерь преобразования. Транспонирующая система может выполняться либо на основе гетеродинного преобразования, либо на основе автодинной генераторно-преобразовательной системы. Следует подчеркнуть, что в пользу преобразователя автодинного типа говорят следующие технические аргументы: 9

- автодинный преобразователь - многофункциональное устройство, которому должно быть отдано предпочтение при реализации сложных устройств;

- автодинные преобразователи по широкополосности транспонируемых сигналов превосходят преобразователи с внешним гетеродином, поскольку исключается проблема ввода сигнала гетеродина в смеситель и, следовательно, значительно уменьшается число неоднородностей от вводящих цепей, которые своими проводимостями шунтируют полезное преобразование и сужают полосу рабочих частот устройства;

- повышенный коэффициент передачи, поскольку автодинное преобразование, проводимое на основе приборов с отрицательным сопротивлением, позволяет вести преобразование не только с низкими потерями, но также и с некоторым усилением продукта преобразования;

- отсутствие цепей ввода сигнала гетеродина упрощает устройство, что весьма существенно для диапазона СВЧ, поскольку позволяет отказаться от таких СВЧ элементов, как направленный ответвитель и гетеродинный фильтр;

- наконец, отсутствие СВЧ смесителя и возложение генераторно-преобразовательных функций на генераторный диод делает такое устройство простым и надёжным.

Теоретическим исследованиям процессов в автодинных преобразователях при слабых и сильных сигналах и методикам их исследований посвящено большое количество работ [4,9,30,33-35]. Среди них следует отметить работу [13], систематизирующую основные положения в этой области техники: принципы работы автодинов, методы исследования автодинных систем и области их применения. Работы по автодинным преобразователям в большинстве своем посвящены режиму, когда частота входного сигнала близка к частоте автоколебаний, либо является частотой отраженного собственного сигнала [19,33,34]. В этой связи выделяются работы [30,31], где проведены

10 подробные исследования режимов работы автодинов и получено преобразование с усилением на частоте продукта преобразования.

На основании вышеизложенного можно сказать, что целью настоящей диссертационной работы являются анализ и разработка широкодиапазонного СВЧ генератора на основе автодинной генераторно-преобразовательной системы.

Выбор активного элемента (диода Ганна) определяется возможностью регенерации системы в широком частотном диапазоне (по преобразованному и преобразуемому сигналам).

В связи с выбранным направлением в работе необходимо рассмотреть модель ганновского автодинного преобразователя при многосигнальном воздействии на диод, для чего должно быть составлено и решено нелинейное дифференциальное уравнение системы. Решение уравнения должно быть проведено относительно амплитуды и фазы вынужденного колебания, устанавливающегося в системе при многосигнальном воздействии. Должны быть определены проводимости системы по различным частотным каналам, необходимые для составления полной эквивалентной схемы, лежащей в основе инженерных расчётов рассматриваемого автодинного преобразователя. Как всякая активная колебательная система, автодинный преобразователь должен быть рассмотрен с точки зрения устойчивости работы при достаточно широком изменении первичных и вторичных его параметров. Для оценки технических возможностей преобразователя необходимо определить потери преобразования автодина. Полученные теоретические результаты должны быть подтверждены экспериментально.

При разработке автодинной генераторно-преобразовательной системы необходимы сведения об амплитудно-частотной характеристике устройства, которая в соответствии с характером амплитудной зависимости реактивной проводимости используемого нелинейного элемента даёт дополнительное искажение АЧХ в виде различной частотной асимметрии, что должно повли

11 ять на выбор "верхней" или "нижней" настройки автодина при транспонировании. Критерием при выборе настройки всегда остаётся устойчивость работы автодинной системы и уровни побочных продуктов модуляции (высших комбинационных составляющих).

На рис. 1 представлена структурная схема широкодиапазонного генератора по предлагаемому способу. Генератор состоит из автодинного генера-торно-преобразовательного устройства, транспонирующего вниз сигналы от вспомогательного генератора, циркулятора, согласованной нагрузки и фильтра нижних частот (ФНЧ), выделяющего частоты преобразованных колебаний и подавляющего автодинный и входные сигналы в канале продукта преобразования.

Настоящая диссертационная работа состоит из четырех разделов (трех теоретических и одного экспериментального).

Первая глава посвящена анализу импедансных свойств одного из активных элементов - ганновского диода, на базе которого строится как вспомогательный перестраиваемый генератор, так и автодинный генераторно-преобразовательный модуль. Рассматриваются две модели проводимости диода: на основе электронной теории [4] и на основе вольтамперной характеристики диода. Вторая модель, наиболее часто используемая при разработке диодных СВЧ генераторов, позволяет получить проводимости системы в двухсигнальном режиме по различным частотным каналам, что существенно уточняет эквивалентную схему автодина, лежащую в основе инженерных расчетов.

Во второй главе на основе общепринятого эквивалентного представления ганновской автодинной системы составлено дифференциальное уравнение и проведено его решение методом медленно меняющихся амплитуд. В результате решения получено алгебраическое уравнение, определяющее амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) исследуемой системы. Получены расчетные соотношения для потерь преобразования. Проведены расчеты

АЧХ при разном характере поведения реактивной составляющей проводимости диода Ганна и рассчитаны потери при транспонировании в широких диапазонах изменения параметров системы.

В третьей главе проведен анализ устойчивости автодинной асинхронной системы, как системы второго порядка, на основе классических методов, разработанных А.А. Андроновым, Е.А. Леонтович, Н.Н. Баутиным. Получены аналитические выражения для первой и второй ляпуновских величин, позволяющие провести анализ устойчивости рассматриваемой системы к изменению различных её параметров. Анализ сопровождается подробными иллюстрациями поведения характеристических параметров, которые приводят к однозначным выводам об устойчивости анализируемой системы.

Четвертая глава - экспериментальная проверка теоретических результатов. В качестве основного критерия выбраны потери преобразования. Разработаны, описаны и исследованы генераторный и автодинный модули. Даны практические рекомендации по построению широкодиапазонных генераторов на основе транспонирования вниз сигналов от вспомогательного генератора как автономной системы с целью повышения равномерности выходной мощности генератора.

Целью диссертационной работы являются анализ и разработка широкодиапазонного СВЧ генератора на основе автодинной генераторно-преобразовательной системы, обладающего высокими показателями скорости перестройки и линейности модуляционной характеристики.

Достижение поставленной цели потребовало решения задач:

- исследования моделей, описывающих импедансные свойства активного элемента генератора;

- разработки модели, описывающей генераторно-преобразовательную систему, исследования её амплитудно-частотных характеристик, исследования устойчивости колебаний, определения потерь преобразования;

14

- экспериментальной проверки возможности создания широкодиапазонного СВЧ генератора на основе предложенного технического решения.

В работе использовались метод медленно меняющихся амплитуд, методы теории цепей, методы теории устойчивости динамических систем, методы линейной алгебры.

Основные научные результаты, полученные в диссертации, состоят в следующем:

- определена проводимость активного элемента, наиболее отвечающая решению поставленной задачи;

- алгоритмизирована задача анализа автодинной генераторно-преобразовательной системы, проведено численное исследование амплитудно-частотных и амплитудных характеристик такой системы в зависимости от характера поведения проводимости активного элемента - диода Ганна;

- проведены аналитическое и численное исследования устойчивости системы на уровне анализа ляпуновских величин;

- выработаны рекомендации по технической реализации широкодиапазонных СВЧ генераторов, отвечающих основным современным требованиям, предъявляемым к этому классу устройств;

- разработан действующий образец широкодиапазонного (октава) генератора, работающего в автономном режиме.

Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

- создан экспериментальный образец широкодиапазонного СВЧ генератора, подтверждающий техническую возможность реализации устройства на основе транспонирования спектра вспомогательного генератора из заведомо более высокочастотного диапазона и отвечающий требованиям вы

15 сокой скорости перестройки и линейности модуляционной характеристики;

- получены аналитические выражения, пригодные для инженерных расчетов при проведении разработки автодинных устройств с ганновским диодом в качестве активного элемента.

Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе на кафедре АиРПУ ТРТУ при подготовке учебных пособий и лабораторных работ по курсам «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника», «Методы и устройства формирования сигналов»; а также в работах ФГУП «ТНИИС» в изделиях ТК25Э, 401М и 407М при разработке высокоскоростных систем определения и воспроизведения частоты. Внедрение подтверждено соответствующими актами.

Достоверность полученных в работе результатов подтверждается проведенным экспериментом, корректным использованием математических методов и численными исследованиями.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских НТК:

- LII научная сессия, посвященная Дню Радио, Москва, РНТОРЭС им. А.С. Попова, 1997;

- «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» -г. Таганрог, 1996;

- «Радиоэлектроника, микроэлектроника, системы связи и управления» -г. Таганрог, 1997;

- «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» -г. Таганрог, 1998;

- «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» -г. Таганрог, 2000;

16 а также на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава Таганрогского государственного радиотехнического университета 1996-1999 годов.

По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, среди которых 3 статьи в центральной печати, тезисы доклада на LII научной сессии РНТОРЭС им. А.С. Попова, 7 тезисов докладов на Всероссийских конференциях аспирантов и студентов.

На защиту выносится:

- техническое решение по созданию широкодиапазонных частотно-перестраиваемых СВЧ генераторов с коэффициентом перекрытия по частоте в октаву, основанное на транспонировании "вниз" сигналов вспомогательного более высокочастотного СВЧ генератора;

- результаты решения уравнения автодинной генераторно-преобразовательной системы, аналитические соотношения, создающие основу для расчета и проектирования широкодиапазонных СВЧ генераторов;

- результаты анализа устойчивости автодинной генераторно-преобразовательной системы, в основу которого положен универсальный метод ляпуновских величин;

- результаты разработки и экспериментальных исследований автодинной генераторно-преобразовательной системы на серийно выпускаемом диоде Ганна миллиметрового диапазона длин волн.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Ежов, Сергей Владимирович

Выводы

В экспериментальной части проведены разработка (на уровне эскизной документации и макетирования) и исследование широкодиапазонного (ок-тавного) СВЧ генератора в диапазоне частот 2-4 ГГц. Исследованы его составные компоненты: вспомогательный СВЧ генератор (34-36 ГГц) и авто-дин, транспонирующий сигнал от вспомогательного генератора в диапазон2-4 ГГц.

132

Разработка автодинной системы проведена с учетом ряда положений, которые позволили определить принципиальный конструктивный состав генераторно-преобразовательного модуля: автодинный преобразователь, стабилизированный внешним объёмным резонатором; циркулятор, поглощающая нагрузка, входная трёхштыревая фильтрующая секция и выходной ФНЧ для продукта преобразования.

Широкодиапазонный вспомогательный генератор построен на основе волновода прямоугольного сечения. Колебательная система шунтирована поглощающей нагрузкой, хорошо согласованной в диапазоне перестраиваемых частот. Перестройка осуществляется изменением напряжения питания. В рабочем диапазоне частот диода достигнуто свипирование в пятипроцентной полосе с нелинейностью модуляционной характеристики менее одного процента при изменении мощности в пределах 13 дБ.

Комплексная настройка всего устройства позволила получить мощность преобразованного колебания от 15мкВт до ЗбмкВт при неравномерности в полосе 2ГГц не более 4дБ.

Возможность получения более широкодиапазонных СВЧ генераторов не ограничивается только применением вспомогательного генератора, показанного в работе. Использование, например, генератора с 20%ш полосой перестройки, выпускаемого ГНПП «Исток» [65], в качестве вспомогательного, позволит получить на основе разработанной автодинной генераторно-преобразовательной системы СВЧ генератор с высокоскоростной перестройкой в диапазоне частот от 1ГГц до 8ГГц.

133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулированная в вводной части работы задача полностью решена, а результаты её решения можно представить следующим образом.

Предложено и осуществлено на практике техническое решение построения широкодиапазонных СВЧ генераторов с коэффициентом перекрытия по частоте в октаву, основанное на транспонировании «вниз» сигналов вспомогательного (более высокочастотного) СВЧ генератора. Относительно неширокая полоса перестройки вспомогательного генератора миллиметрового диапазона обеспечила при её транспонировании достаточно широкую полосу перестройки основного генератора.

Такой подход к решению задачи снимает остроту вопроса создания широкодиапазонных СВЧ генераторов, поскольку требование к полосе перестройки вспомогательного генератора не вызывает принципиальных технических трудностей при исполнении его на прямую генерацию.

Согласно выбранному способу решения поставленной задачи в основу построения широкодиапазонного СВЧ генератора были заложены такие дополнительные вспомогательные устройства и комплектующие изделия, изготовление и приобретение которых не вызывает никаких трудностей, что открывает возможность технической реализации широкодиапазонных СВЧ генераторов сантиметрового диапазона длин волн с перекрытием по частоте в октаву и более.

На основе ВАХ - главной характеристики приводимой в технических условиях на диод Ганна, разработана модель активного элемента генератора при двухсигнальном воздействии, наиболее полно представляющая его им-педансные свойства. Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитывать проводимости автодинной системы по основным частотным каналам. В качестве примера практического использования рассмотренной модели диода проведены расчеты проводимости диода АА720А, находяще

134 гося в режиме автогенерации, позволившие сопоставить результаты настоящей работы с экспериментальными данными, опубликованными другими авторами. Результаты сопоставления удовлетворительны.

Составлено и решено уравнение автодинной генераторно-преобразовательной системы с учетом неизохронных свойств таких систем. Решение проведено методом медленно меняющихся амплитуд. Результат решения представлен алгебраическим уравнением, определяющим АЧХ системы. Неизохронность исследуемой системы зависит от характера поведения реактивной составляющей проводимости ганновского диода и хорошо видна на АЧХ. В зависимости от характера «мягкой» или «жесткой» амплитудной зависимости реактивной составляющей проводимости АЧХ асимметричны относительно резонансной частоты «холодной» колебательной системы. Выбор области однозначного решения уравнения автодина позволяет исключить возможные неустойчивость автодинных колебаний или переход системы в режим синхронизации и, таким образом, обоснованно выбрать диапазоны частот, подлежащие транспонированию.

На основе аналитических соотношений для АЧХ рассчитана частотная зависимость потерь преобразования. Анализ результатов расчета показал возможность получения низких потерь при транспонировании вплоть до усиления, что характерно для регенеративных систем, к которым относится исследуемый автодинный преобразователь. В выбранном для транспонирования диапазоне частот 34-36 ГГц показана удовлетворительная равномерность потерь преобразования (не более 4 дБ).

Проведено исследование устойчивости автодинной генераторно-преобразовательной системы к изменению её параметров, в основу которого положены классические методы, разработанные А.А. Андроновым, Е.А. Леонтович, Н.Н. Баутиным. Анализ параметров сг и А, характеризующих поведение исследуемой динамической системы показал, что в рабочем диапазоне питающих напряжений система ведет себя, как и подобает систе

135 ме, находящейся в режиме генерации колебаний - а и А реализуются в области неустойчивых фокусов. Дополнительное исследование с помощью первой Lx и второй Ь2 ляпуновских величин выявило одну перемену знака (Zj). анализ второй ляпуновской величины в области Х,=0 позволил говорить о существовании в системе одного устойчивого предельного цикла. К изменению других двух важнейших параметров - амплитуды сигнала внешнего воздействия и амплитуды автодинных колебаний система также проявляет себя как устойчивая.

Разработаны и реализованы действующие макеты вспомогательного генератора и автодинной генераторно-преобразовательной секции в миллиметровом диапазоне длин волн.

Вспомогательный генератор реализован в диапазоне частот 34-3бГГц, то есть с относительно небольшой полосой перестройки. Генератор построен на основе короткозамкнутого отрезка волноводного канала сечением 7,2х 1,5 мм. Для реализации диапазона перестройки 2Ггц потребовалось снизить добротность колебательной системы путём помещения в неё согласованной нагрузки. Такое техническое решение привело к снижению полезной мощности вспомогательного генератора (не более бООмкВт), тем не менее полученные характеристики генератора приемлемы для транспонирования его сигнала.

Основой генераторно-преобразовательного модуля служит генератор на диоде Ганна, выполненный на основе уменьшенного по высоте отрезка волновода 7,2 х 1,5 мм, стабилизированный внешним объёмным резонатором. Разработанный автодин позволил получить эффективное преобразование колебаний вспомогательного генератора.

Разработан и реализован действующий автономный образец широкодиапазонного СВЧ генератора, перестраиваемого в октавной полосе частот. Генератор имеет удовлетворительные для решения прикладных радиотехни

136 ческих задач выходные параметры: в частотном диапазоне от 2ГГц до 4ГГц выходная мощность генератора меняется от 15мкВт до ЗбмкВт (неравномерность уровня выходной мощности не превышает 4дБ); скорость перестройки определяется скоростью изменения напряжения питания вспомогательного генератора и ограничивается только инерционностью самого эффекта Ганна, позволяя тем самым разворачивать всю частотную панораму за время, требуемое современными приёмо-передающими системами различного назначения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ежов, Сергей Владимирович, 2001 год

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. - М.: Физматгиз, 1959. - 915с.

2. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. - 503с.

3. Дж. Стокер. Нелинейные колебания в механических и электрических системах./Под ред. А.И. Лурье М.: Издательство ин. лит-ра, 1953. -256с.

4. Малышев В.А. Бортовые активные устройства сверхвысоких частот. -Л.: Судостроение, 1990. 264с.

5. Баутин Н.Н., Леонтович Е.А., Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости. 2-е изд., доп. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1990. - 488с.

6. Баутин Н.Н. Поведение динамических систем вблизи границ области устойчивости. Изд. 2-е, перераб. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984.- 176с.

7. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей. М.: Связь, 1972.-328с.

8. Фомин Н.Н. и др. Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных генераторах. М.: Радио и связь, 1991. -192с.

9. Хотунцев Ю.Л. Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и авто дины на полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, 1982. -240с.

10. Левинштейн М.Е., Пожела Ю.К., Шур М.С. Эффект Ганна./Под. ред. С.М. Рывкина. -М.: Сов. радио, 1975 288 с.

11. Керрол Дж. СВЧ генераторы на горячих электронах. М.: Мир, 1972. -383с.

12. СВЧ устройства на полупроводниковых диодах. Проектирование и расчет./Под. ред. И.В. Мальского. -М.: Сов. радио, 1969. 580с.138

13. Коган И.М., Тамарчак Д.Я., Хотунцев Ю.Л. Автодины.//Итоги науки и техники. Сер. радиотехника/М.: ВИНИТИ, 1984, Т.ЗЗ, 175с.

14. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1982.- 112с.

15. Заездный A.M. Основы расчетов нелинейных и параметрических радиотехнических цепей. М., Связь, 1973. - 448с.

16. Тафт В.А. Основы спектральной теории и расчет цепей с переменными параметрами. М., Наука, 1964.

17. Ляпунов A.M. Общая задача об устойчивости движения. М.: Гостехиздат, 1950.

18. Конторович М.И. Нелинейные колебания в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1973. -320с.

19. Транзисторные генераторы и автодины./Под ред. В.М. Богачева. М.: Издательство МЭИ, 1993. 344с.

20. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 320с.

21. Каганов В.И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. М.: Радио и связь, 1981, -400с.

22. Каганов В.И. Проектирование транзисторных радиопередатчиков с применением ЭВМ. М.: Радио и Связь, 1988. - 256с.

23. Хотунцев Ю.Л. Полупроводниковые СВЧ устройства. М.: Связь, 1978. - 256с.

24. Блакьер О. Анализ нелинейных систем. М.:Мир, 1969. - 400с.

25. Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.:Наука, 1967. - 368с.

26. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. -М.: Наука, 1965. -424с.

27. Козлов В.И., Юфит Г.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью ЭВМ. -М.: Сов. радио, 1975.

28. Стерцер. Усилители и генераторы на эффекте переноса электронов в технике СВЧ. Полупроводниковые приборы СВЧ: Пер. с англ. / Под. ред. Ф. Бреда. - М.:Мир, 1972, с.26-37.

29. Фельдштейн A.JL, Явич J1.P., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. M-JL: Госэнергоиздат, 1963. - 360с.

30. Малышев В.А., Радченко А.Ф., Левтеров А.И. Экспериментальное исследование автодинного смесителя на диоде Ганна. Радиотехника, 1979, т.34, №11. с.56-58.

31. Бородовский П.А. и др. Автодинный смеситель на диоде Ганна. Радиоэлектроника, 1974, т.17, №12. с.82-84.

32. Алексеев Ю.И. Диодный преобразователь с самонакачкой. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1987, т.30, №1, с.85-87.

33. Хотунцев Ю.Л. Доплеровские авто дины на полупроводниковых приборах. Радиотехника, 1979, т.22, №10. с.44-54.

34. Декин Г.Н., Терещенко А.Ф. Воздействие отраженного сигнала на генератор Ганна. Радиотехника, 1981, т.36. с.23-26.

35. Моросалов С.А., Смольский С.М. Оптимизация режима и расчет автодинов на туннельных диодах. Радиотехника, 1981, т.36, №2. с.84-82.

36. Добров В.А., Марон Р.С. и др. Источник радиосигналов с широкополосной высокоскоростной линейной электрической перестройкой частоты. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ.- 1983.- вып. 8. с.27-28.

37. Малышев И.В., Радченко А.Ф. и др. Работа диодов Ганна на нерезонансную нагрузку. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1987, т.30, №1, с. 15-20.

38. Князева Л.П., Муравьев В.В., ШалатонинВ.И. Особенности колебательных характеристик диодов Ганна миллиметрового диапазона.- Известия ВУЗов. Радиолектроника, 1987, № 5. с.63-64.

39. Тараненко В.П., Коцержинский Б.А. и др. Электрическая перестройка частоты твердотельных СВЧ-генераторов варакторами. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1976, №10.

40. Васильев Н.А. и др. Состояние и основные проблемы разработки генераторов миллиметрового диапазона на диодах Ганна. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1985, №10. с.42-49.

41. Тараненко В.П., Коцержинский Б.А., Мачусский Е.А. Твердотельные генераторы СВЧ колебаний миллиметрового диапазона радиоволн (обзор). Известия ВУЗов. Радиоэлектроника, 1978, №10. с.4-23

42. Хрюнов А.В. Твердотельные генераторы миллиметрового диапазона (обзор). Электросвязь, 1978, № 7. с.49-57.

43. Майдановский А.С., Наливайко Б.А. и др. Электрически перестраиваемые твердотельные генераторы на нессиметричных связанных полосковых линиях. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1977.- № 10. - с.56-62.

44. Downing B.I., Myers F.A. Q-band varactor-tuned Gunn oscillators. -Electronic Letters, 1973, v. 9, № 11.

45. Taylor B.C., Howes M.J. LSA operation of GaAs layers in large scale tunable microwave circuits. IEEE Trans., 1970, MTT-18.

46. Zublin K.E., Wilser W.T., Green W.R. Ka-band YIG-tuned GaAs oscillator. -Microwave J., 1975, № 10.

47. Блейнас И.М. и др. Автоматизированная система комплексного машинного проектирования изделий СВЧ электронной техники. -Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1978. - вып. 1 - с.93-117.

48. Желудкова Г.В., Малькова-Хаимова Н.Я. Комплекс программ ОПТИМА, позволяющий автоматизировать постановку оптимизационных задач на ЭВМ. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1979.- вып. 9. - с.93-117.

49. Свечкин С.М. Программа расчета генератора на ЛПД в волноводном исполнении. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. - 1986.-вып. 6(410).-с.9-11.

50. I.W. Репсе, P.J. Khan. Broad band equivalent-circuit determination of Gunn diodes. IEEE Trans., 1970, v. MTT-18, № 11, p. 784-789.

51. Gunn J.B. The discovery of microwave oscillations in gallium arsenide -IEEE Trans., 1976. v. ED-23, №7, p 705-713.

52. Мидзусипа, Такао. Представление ганновских диодов в виде параллельного соединения нелинейной активной проводимости и нелинейной емкости. ТИИЭР, 1972, 61 №1, с. 159.

53. Алексеев Ю.И., Ежов С.В. Анализ импедансных свойств диодов Ганна при двухсигнальном воздействии. Известия ВУЗов. Электроника, №12, 1999, с. 58-62.

54. Алексеев Ю.И., Ежов С.В. Широкодиапазонный ЧМ генератор на основе ганновской автодинной генераторно-преобразовательной системы. -Материалы LII научной сессии, посвященной Дню Радио. — М. 1997, с. 36-37.

55. Алексеев Ю.И., Ежов С.В. Расчет основных характеристик широкодиапазонного ганновского автогенератора. -Междуведомственный тематический научный сборник «Рассеяние электромагнитных волн», Таганрог, 1999, вып. 11, с. 132-136.

56. Ежов С.В. Автодинный преобразователь на диоде Ганна. Третья Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 1996, с. 47-48.

57. Ежов С.В., Костенко В.В., Приходько О.Ю. Расчет импедансных характеристик ЛПД. Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 1997, с. 56-57.

58. Ежов С.В. Исследование импедансных свойств ганновских диодов в двухсигнальном режиме. Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 1997, с. 59.

59. Гавдан Ю.Н., Ежов С.В., Полищук А.Г., Суховеев А.П. СВЧ-медицинский передатчик. IV Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 1998, с. 57.

60. Ежов С.В. Исследование электронно-перестраиваемого генератора миллиметрового диапазона в волноводном исполнении. IV142

61. Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 1998, с. 59.

62. Алексеев Ю.И., Бабенко В.П., Ежов С.В. Методическое пособие № 522 «Сборник лабораторных работ по курсу «Электронные твердотельные приборы и микроэлектроника». Таганрог: ТРТУ, 1997, с.48. ^

63. Алексеев Ю.И., Суховеев А.П., Ежов С.В. Методическое пособие № 2762 «Руководство к лабораторной работе «Ганновский автогенератор, перестраиваемый по частоте с помощью ЖИГ-резонатора». Таганрог: ТРТУ, 1999, с.22.^

64. Алексеев Ю.И., Суховеев А.П., Ежов С.В. Методическое пособие № 2904 «Руководство к лабораторной работе «Генератор СВЧ на лавинно-пролетном диоде». Таганрог: ТРТУ, 2000, с. 16. ^

65. Абраменков А.И., Бродуленко И.И. Стабильность частоты генераторов на диодах Ганна с электрической перестройкой варикапом. Электронная техника. Сер. 1. Электроника СВЧ. 1985.- вып. 9(381). -с.30-35.

66. Мальцев В.А., Мякиньков В.Ю., Новоселец В.И. Состояние разработок твердотельных СВЧ генераторов малой мощности и устройств на их основе. Радиотехника, 1999, № 4. с.44-54.

67. Ежов С.В., Суховеев А.П. Ганновский генератор с низкодобротной колебательной системой. V Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 2000, с. 66. С'

68. Ежов С.В., Суховеев А.П. Решение уравнения автодинной генераторно-преобразовательной системы. V Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов. Таганрог: ТРТУ, 2000, с. 67.

69. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. М. 1988.1. АКТо внедрении в учебный процесс ТРТУ результатов диссертационной работы ЕЖОВА СЕРГЕЯ ВЛАДИМИРОВИЧА;

70. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ШИРОКОДИАПАЗОННОГО

71. СВЧ ГЕНЕРАТОРА НА ОСНОВЕ АВТОДИННОЙ ГЕНЕРАТОРНО-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.04.

72. Внедрение проведено в порядке постановки упомянутых работ в лабораторные практикумы студентов второго курса специальности «Радиосвязь, телевидение и радиовещание» и четвертого курса специальности «Радиофизика и электроника».1. Председатель комиссии

73. Члены комиссии: д.т.н., профессор д.т.н., профессор к.т.н., доцентд.т.н., профессор1. В.А. Обуховец

74. Ю.В. Юханов Ю.И. Алексеев С.С. Гарматюк1. Утверждаю

75. Главный инженер ФГУП «Т.агаирогский НИИ связи» , ft.T.H^CJLC^1. А А. Борисов- «Mffifai^Jjb 2000г.1. Актнаучно-технической комиссии о реализации научных положений и выводов кандидатской диссертации Ежова Сергея Владимировича.1. Акт

76. Председатель комиссии, начальник научно-исследова^ отдела, к.т.н., с.н.с.1. Члены комиссии:

77. Ведущий научный сотрудник, к.т.н., с.н.с.1. Начальник ПЭО1. Т.П. Рыбакова