Разработка функциональной схемы

3. Разработка функциональной схемы

Генераторы с плавной перестройкой в широком диапазоне частот и их разновидность — генераторы качающейся частоты — используются в панорамных приёмниках и анализаторах спектра, в измерителях частотных характеристик, в следящих фильтрах и других радиоэлектронных устройствах [13]. К важнейшим показателям качества таких ДГН относятся: перекрытие максимального диапазона частот, обеспечение заданного закона электронной перестройки частоты, минимальные нелинейные искажения колебаний, которые должны реализовываться при высоких показателях качества второй группы. При этом рассмотрение характеристик ДГН с одним управителем частоты, работающих в диапазоне от коротких до миллиметровых волн, свидетельствует о принципиальных технических трудностях, с которыми сопряжено выполнение комплекса перечисленных требований.

Повышению эффективности генераторов плавного диапазона, выполненных на основе ДГН с согласованной настройкой управителей частоты, способствует возможность использования сравнительно простых электронных устройств, для автоматической настройки одного или нескольких ведомых управителей по определенному закону при регулировке ведущего управителя частоты.

Принцип действия автоматических устройств, используемых для согласованной настройки управителей в рассматриваемых генераторах, основан на зависимости амплитуды колебаний от расстояния изображающей точки генератора в пространстве параметров до колебательной границы устойчивости (КГУ): при увеличении этого расстояния амплитуда колебаний увеличивается, а при его уменьшении уменьшается. Следовательно, для стабилизации амплитуды колебаний в диапазоне перестройки частоты при регулировке одного из управителей частоты другие должны подстраиваться таким образом, чтобы закону перестройки управителей соответствовало движение ИТ генератора в пространстве его параметров на неизменном расстоянии до КГУ.

Таким образом, назначение устройств автоподстройки управителей частоты в рассматриваемых ДГН состоит в том, чтобы при независимой регулировке ведущего управителя, приводящей к изменению амплитуды колебаний, сформировать управляющий сигнал, обеспечивающий подстройку другого (или других) управителя частоты в направлении, соответствующем стабилизации амплитуды колебаний.

В качестве примера рассмотрим реализацию описанного принципа в генераторе на негатроне типа N с параллельным LC-контуром и парой резистивных управителей частоты. Функциональная схема устройства показана на рис.3.1 . В его состав входят: генератор 1 с управителями частоты 5 и 6, широкополосный усилитель 2, амплитудный детектор 3, усилитель постоянного тока (УПТ) 4. Узлы 2-4 используются для автоматической подстройки управителя 6 при регулировке управителя 5 с помощью управляющего сигнала источника.

Принцип действия устройства состоит в следующем. Управитель 5 включён в индуктивную ветвь колебательного контура и выполняет функции переменного резистора RL, управитель 6 в емкостной ветви контура используется в качестве переменного резистора Rс (см. рис.5.2). Устройство настраивается так. чтобы в начальный момент времени номиналы сопротивлений

 и

были максимальными, причём частота колебаний минимальна. Затем значение RL уменьшается и приводит к увеличению амплитуды колебаний генератора, а следовательно, к повышению напряжения усилителя 2, амплитудного детектора 3 и увеличению тока УПТ 4 Тип и полярность включения управителя 6 выбрано такими, чтобы увеличение тока УПТ приводило к увеличению сопротивления управителя переменному току, уменьшению амплитуды колебаний до первоначального значения и увеличению их частоты. Дальнейшее уменьшение значения сопротивления RL приводит к еще большему повышению частоты, причём описанный процесс продолжается до тех пор, пока частота колебаний генератора не достигнет верхней границы диапазона перестройки.

Принципиальная схема генератора плавного диапазона, в которой реализуется согласованная настройка резистивных управителей частоты, показана в приложении. Генератор выполнен на ТД типа ГИ103Б (Д2). Номиналы элементов схемы рассчитаны в пункте 5.2, и указаны на схеме. Функции резистивных управителей частоты выполняют реостат R1 и точечный полупроводниковый диод Д1. Использование реостата R1 в качестве ведущего управителя частоты удобно при выполнении измерений в дискретных точках диапазона. На ТД подается напряжение смещения Uсм=170 мВ, соответствующее значению  Ом.

Шунтирование реостата R1 дросселем L1 обеспечивает стабилизацию смещения на ТД при регулировке реостата.

Система автоматической подстройки дифференциального сопротивления диода Д1 при регулировке реостата R1 содержит: широкополосный усилитель, собранный на транзисторах Т1 и Т2; амплитудный детектор, выполненный на диодах Д3 и Д4; УПТ на интегральной микросхеме А1 (операционный усилитель типа К1УТ401А) и транзистор Т3. Для обеспечения функционирования устройства в соответствии с описанным выше принципом при его настройке необходимо учитывать следующие факторы: для реализации выбранного закона перестройки частоты, характеристика амплитудного детектора должна быть такой, чтобы увеличение амплитуды колебаний генератора (а, следовательно, и выходного напряжения усилительного каскада на Т2) приводило к уменьшению выпрямленного тока и наоборот; для обеспечения минимальных нелинейных искажений широкополосный усилитель должен работать в режиме класса А и его АЧХ должна иметь минимальную неравномерность в диапазоне перестройки частоты; коэффициенты усиления усилительных каскадов и постоянная времени амплитудного детектора должны выбираться с учетом комплекса технических требований по обеспечению высокой скорости перестройки частоты в наиболее широком диапазоне при устойчивой работе системы автоподстройки управителя частоты.

В описанной схеме коэффициент усиления широкополосного усилителя по напряжению Ки =40 дБ, причём напряжение практически не отличается от синусоидального в полосе перестройки частоты 3,95—24,6 МГц. В процессе перестройки дифференциальное сопротивление диода Д1 изменяется от 3 до 100 Ом, что соответствует изменению напряжения на диоде от 07 до 0,25 В.

Для работы устройства в режиме генератора качающейся частоты вместо реостата R1 в схеме на рис. 21 следует использовать полупроводниковые резисторы (см. § 4) с соответствующими источниками управляющего напряжения или тока. При этом могут наблюдаться снижение устойчивости работы системы авторегулирования, сужение частотного диапазона и повышение нелинейных искажений. Устранение этих недостатков обеспечивается путём подстройки режима системы авторегулирования с помощью реостатов R13, R15 и коррекции сигналов, используемых для перестройки управителей частоты.

В описанном устройстве, а также в генераторах, выполненных по другим схемам (см. табл. 2), при понижении и повышении центральной частоты наблюдается соответственно расширение и сужение диапазона перестройки. Это подтверждает теоретические выводы относительно ограничивающего влияния реактивностей негатронов на диапазон перестройки частоты (см. § 8). Поэтому при создании высокочастотных генераторов с перестройкой частоты по методу СНУЧ целесообразно применять наиболее высокочастотные из современных негатронов: ТД, ИПД, ЛПД, ДГ [ ] в сочетании с полупроводниковыми управляющими устройствами, используемыми в диапазоне СВЧ [ ].

При этом следует учитывать особенности физических процессов в генераторах на негатронах с динамическим отрицательным сопротивлением. Так, ДГ ведут себя как устойчивые отрицательные сопротивления при работе в режимах с подавлением домена и ограниченным накоплением объемного заряда [ и др.]. Такие режимы возникают в генераторах, у которых добротность колебательной системы настолько велика, что амплитуда колебаний высокочастотного напряжения на ДГ может оказаться соизмеримой с напряжением питания или его превышать. Поэтому в генераторах на ДГ согласованная настройка управителей частоты должна осуществляться таким образом, чтобы добротность колебательной системы понижалась незначительно. Для реализации такой перестройки можно, например, рекомендовать регулировку связи генератора с нагрузкой и соответствующее изменение тока подмагничивания магнитной системы ЖИГ, имеющей острую резонансную кривую [ ].

В генераторах на ЛПД наиболее простым способом реализации метода СНУЧ представляется регулировка связи генератора с нагрузкой и соответствующее изменение тока питания диода [ ].

Отметим, что в СВЧ генераторах с автоматической электронной настройкой управителей частоты и усиление, и детектирование колебаний могут выполняться в каскадах, собранных на негатронах [ ], т.е. существует принципиальная возможность реализации генераторов плавного диапазона на негатронах.