Характеристики генераторов СВЧ с резонаторами стоячей и бегущей волны Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.372.412

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЕНЕРАТОРОВ СВЧ С РЕЗОНАТОРАМИ СТОЯЧЕЙ И БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ

© В.Н. Егоров1

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. ФГУП "ВНИИФТРИ", 664056, г. Иркутск, ул. Бородина, 57.

Рассматриваются энергетические соотношения и устойчивость в генераторах СВЧ в виде усилителя с положительной обратной связью через высокодобротный резонатор стоячей или бегущей волны при различной величине входного и выходного коэффициентов связи резонатора. Показано, что наибольшим коэффициентом использования СВЧ мощности (КПД по СВЧ) обладает генератор с резонатором бегущей волны, имеющим слабую входную и сильную выходную связи. Ил.4. Табл. 1. Библиогр. 10 назв.

Ключевые слова: генератор СВЧ; резонаторы стоячей и бегущей волны; коэффициенты связи; устойчивость.

CHARACTERISTICS OF MICROWAVE OSCILLATORS WITH STANDING AND TRAVELING WAVE RESONATORS V.N. Egorov

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

East-Siberian branch of All Russia Research Institute of Physico-Technical and Radioengineering Measurements, 57 Borodin St., Irkutsk, Russia, 664056.

The article discusses power ratios and state stability in microwave oscillators in the form of an amplifier with a positive back loop through a high-q standing or traveling wave resonator under different values of input and output coupling coefficients of the resonator. The oscillator with a traveling wave resonator of weak input and strong output couplings is shown to have the highest coefficient of microwave power. 4 figures. 4 tables. 10 sources.

Key words: microwave oscillator; standing and traveling wave resonator; coupling coefficients; state stability.

Введение. Малошумящие генераторы СВЧ находят широкое применение в радиолокационной технике, измерительной аппаратуре и метрологии, в частности, в эталонах частоты и времени. Их характеристики зависят от применяемого активного элемента и колебательной системы, задающей частоту генерации. Обычная структурная схема автогенератора на активном четырехполюснике представляет собой усилитель с положительной обратной связью через высокодобротный колебательный контур (резонатор). Данная модель генератора рассматривалась в литературе на основе различных подходов [1-3]. Достоинство такого представления состоит в возможности отдельного анализа, настройки и измерения характеристик линейной части генератора - цепи положительной обратной связи (ОС) с резонатором и нелинейной части - усилителя при различных уровнях входного сигнала. Следует отметить, что эквивалентные схемы с сосредоточенными элементами и аппарат обычной теории цепей при анализе генераторов СВЧ с распределенными параметрами не описывают ряд явлений, в частности, возможность направленного возбуждения

резонаторов в режиме резонанса бегущей волны (РБВ). Используемые для анализа генераторов с распределенными параметрами погонные емкости и индуктивности [4] или параметры активной (лазерной, мазерной) среды [5] трудно определить экспериментально на СВЧ. Наиболее распространенными и измеряемыми с достаточной точностью на СВЧ являются 5 -параметры устройств. Эффективность генератора и характеристики стабильности частоты зависят, в том числе, от мощности "потерь на стабилизацию", а точнее, на нагрев резонатора, изменяющий его характеристики. Цепь ОС с резонатором является линейным устройством и ее стабилизирующее действие определяется частотной зависимостью 5 -параметров резонатора, но не уровнем мощности, при котором он работает. Больший уровень запасенной в резонаторе энергии означает и большие потери на его нагрев, но не означает автоматического повышения стабильности частоты генерации.

Анализ распределения СВЧ мощности между различными элементами генератора и энергетических потерь в них, а также связанные с этим вопросы эф-

1 Егоров Виктор Николаевич, кандидат технических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, директор Восточно-Сибирского филиала Всероссийского НИИ физико-технических и радиотехнических измерений, тел.: 83952468020, e-mail: [email protected].

Egorov Victor, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Radio Electronics and Telecommunications Systems, Director of East-Siberian Branch of All Russia Research Institute of Physico-Technical and Radioengineering Measurements, tel.: 83952468020, e-mail: [email protected]

фективности генераторов и устойчивости работы изучены недостаточно. Особенности генераторов СВЧ с резонаторами бегущей волны в литературе практически не рассматривались. Ниже основные энергетические соотношения стационарного режима генераторов и их устойчивость рассматриваются на основе 5 -параметров цепи ОС и согласованного по входу и выходу (5У = = 0) усилителя с коэффициентом

2

усиления по мощности Kу =

s у

и выходной мощ-

ностью Pyвых. Здесь Sjj - элементы матрицы рассеяния усилителя, i, j = 1,2.

1. Баланс мощности генератора СВЧ с резонатором стоячей волны. Для самовозбуждения генератора (рис.1) должны выполняться условия баланса фаз и баланса амплитуд. Коэффициент передачи цепи ОС зависит от коэффициентов связи резонатора с трактом и отклонения частоты от резонансного значения. Коэффициенты отражения Si(£) и передачи S21{£) ("по напряжению") проходного резонатора стоячей волны (РСВ) имеют вид

S11(0H2 [sn(0)+ ik S11(£) 1+£2 j 1+£2 '

S„ (0)=- ,

1 1+ß+ß2

(1)

s«(£)=^

S „(о)-£

1+£2

S 21 (0) =

2Vßß

. (2)

1 + ß +ß2

где ß , ß - коэффициенты связи резонатора с трактом по входу и выходу, £ - его обобщенная расстройка. Рассмотрим баланс мощности генератора (рис.1) в стационарном режиме в предположении отсутствия потерь в линиях длиной l, соединяющих проходной РСВ с согласованным по входу и выходу усилителем при генерации (т.е. выполнении условий баланса фаз и амплитуд) на резонансной частоте резонатора (£ = 0).

Пусть на входе резонатора мощность РрХ и в согласованной полезной нагрузке мощность Рн . Тепло-потери (потери на стабилизацию)

вые

Рст = (1 -|Sn(0)2 — S21 (0)2)Ppl, отраженная от входа Ротр = |SU(0)2 Pp1 и прошедшая Рпр = ^21(0)2 Pp1 мощности будут

Р =

Ä ст

4ß - Pp1 _(1 -ß1 +ß2 )2 - Pp1

(1 + ß +ß2 )2, ^ = (1 + ß +ß2 )2 4ß\ß2 - Pp1

P = ПР (1 + ß\ +ß2 )

(3)

где Pp1 = Py вых - PH = KyPy вх -PH - м°щность

■у в

у у вх

на входе резонатора при отборе полезной мощности с выхода усилителя (входа резонатора) и

Рр1 = Ру вых = КуРу вх- при ее отборе с выхода резонатора. Легко убедиться в (3), что Рст + РоТр + Рпр = Рр\ ■ При отборе полезной мощности с выхода усилителя (рис.1,а) мощность на его входе будет

P = P =

у вх пр

= P

4ßß

у вых

(1 +ß,+ß2 )

1 — P

P

у вых

=. (4)

= P

у вых

S„(0)2

1 — P

P

у вых

При отборе полезной мощности с выхода резонатора мощность на входе усилителя будет

P = P

увх увых

4ßß

P

(1 + ß +ß2 )2 Pу вых

= P

у вых

|S21(0)2 P

P

у вых

(5)

а б

Рис.1. Схемы генераторов с отбором мощности со входа (а) и выхода (б) РСВ

РСВ

l

ЗаМеНИМ Ру вх = Ру вЪх/Ку И ПУСТЬ

] = Рн1 Ру вьх, где ] - коэффициент использования мощности (КПД по СВЧ). Тогда при отборе мощ-

ности с выхода усилителя (рис. 1,а).

77 = 1 -(

(^ 2i(0)2 г, У.

(6)

При отборе полезной мощности с выхода резонатора (рис. 1 б)

7 =

S 2i(0j2 [1 -(S 2i(0j2 Ky У1

(7)

Отметим, что усилитель должен компенсировать не только потери Рст + РоТр (тепловые в резонаторе

и на отражение от него), но и Рн в полезной нагрузке.

Поэтому |£21 (о)|2 Ку > 1, 0 <]< 1 и коэффициент усиления в (6),(7) должен составлять Ку =(1 -тУ\ ^(0)" в

схеме

(а)

Ky =(S21 (0)2 — 7) в схеме (б). Из (6), (7) видно,

что при одних и тех же |S21 (0)2, Ky и выходной мощности усилителя Py вых полезная мощность Рн в

варианте (б) составляет |S21 (0)2 < 1 от мощности

варианта (а). Выигрышем в схеме (б) является дополнительное подавление шумов резонатором [3], за что приходится платить меньшей полезной мощностью. Изменение величины отбираемой полезной мощности в определенных пределах компенсируется смещением рабочей точки активного элемента в область характеристики с большей или меньшей крутизной, т.е. с большим или меньшим Ky. Когда запас по самовозбуждению |S2 j(o)2 Kymßi —1 не может при данном

|S21 (о)2 обеспечить установленную связь с нагрузкой, генерация становится невозможной.

Следует отметить, что проходной РСВ реализуется в чистом виде только при очень слабых связях с

трактом, когда |S2 1(0)2 ^ 0. Передача мощности на

резонансе и вблизи него со входа резонатора на его выход означает существование бегущей волны в резонаторе и в линиях связи, т.е. промежуточный между РСВ и РБВ режим. На частотах вне резонанса (

|| »1) отражение от РСВ велико: |SU|2 « 1. Для

заданного снижения нагруженной добротности резонатора относительно собственной в

M = QJQH = 1 + Д+Д раз коэффициент передачи достигает при Д = Д = ß максимума

|£21 (о)2 = (2Д)2/(1 + 2Д)2 , что может служить

основанием для выбора одинаковых коэффициентов связи. При этом прошедшая через резонатор мощность (3) составляет Д от мощности "на стабилизацию", а точнее, на разогрев резонатора.

2. Баланс мощности генератора СВЧ с резонатором бегущей волны. Рассмотрим генератор СВЧ с петлей ОС на основе проходного резонатора бегущей волны (РБВ) [6] (рис.2). Участок распределенной связи с диэлектрическим резонатором (ДР) в этом случае является направленным ответвителем с малым отражением £п « 0 во всей полосе усиления усилителя. Линии связи вместе с ДР образуют направленный фильтр, в плече 4 которого мощность появляется только из-за неидеальной направленности и рассогласования входа усилителя. В [7] экспериментально показана возможность распределенного направленного возбуждения ДР в режиме РБВ при связи, близкой к критической, с направленностью более 40 дБ и КСВн во входной микрополосковой линии менее 1.03, что

соответствует |£и|2 < 1 • 10-4.

На основе проходного РБВ можно реализовать две основные схемы генератора на четырехполюснике, отличающиеся способом отбора полезной мощности. При отборе с ответвителя в выходной или/и входной линиях связи с ДР (рис.2,а) линии заканчиваются согласованными балластными нагрузками. Достоинством схемы с отбором мощности из линий связи (рис.2,б) является отсутствие направленных ответви-телей, минимальное возможное расстояние от усилителя до ДР и полное использование мощности, без потерь в балластных нагрузках. Коэффициент передачи в полезную нагрузку будет

sm |)=SÄ+1 —S31(0»-1

1 + | S31 (0) =

1 + |

1 —Д +ß2 1 + Д +ß2

(8)

Недостатком схемы (рис.2,б) является некоторое подавление сигнала несущей частоты относительно шумовых боковых составляющих, поскольку РБВ для выходного сигнала в этой схеме является полосно-заграждающим фильтром. Этот эффект можно уменьшить, установив входную связь Д малой, но увеличив Д ~ 1. Дополнительное преимущество такого выбора в том, что резонатор будет работать при меньшем уровне запасенной энергии и соответственно при меньшей мощности, идущей на его разогрев. Вентили в плечах 3,4 при согласованных полезных нагрузках не являются необходимыми, однако уменьшают влияние нагрузок на стабильность частоты генератора.

а б

Рис. 2. Схемы автогенераторов на активном четырехполюснике с ДР в режиме РБВ и отбором мощности с направленных ответвителей (а) и из линий связи (б)

Рассмотрим баланс мощности в генераторе с РБВ на рис.2,а. В этом случае во входной линии связи отраженной мощности нет: 5И = 0. При отборе полезной мощности р = Рн с выхода усилителя или

Р2 = Рн с выхода резонатора КПД по СВЧ совпадает

с таковым для генератора с РСВ (рис.1,а,б) и выражается (6), (7) соответственно. Мощность, отраженная от входа резонатора в генераторе с РСВ (рис.1), в схеме с РБВ (рис.2,а) теряется в согласованной балластной нагрузке. Преимущество данного генератора с РБВ перед генератором с РСВ состоит только в отсутствии отраженной волны во входной линии связи независимо от величины входной связи Д и частоты.

Сравним энергетические характеристики генераторов с РСВ и РБВ при одинаковой выходной мощности усилителя Р у вых. Рекомендуемые в [3] одинаковые коэффициенты связи Д= Д = 0.5 в генераторе с РСВ дают по (3) уровень отраженной от входа резонатора мощности РоТр = 0.25Р^, мощность "на стабилизацию" Рст = 0.5Р^ и прошедшую через резонатор мощность Рпр = 0.25Р^, где Рр1 = Р у вых — Рн =(! ~л)Ру вых - м°щность на

входе резонатора при отборе полезной мощности с выхода усилителя (входа резонатора) и Рр1 = Ру вых

при ее отборе с выхода резонатора. Коэффициент передачи резонатора по мощности при

Д = Д =Д = 0.5 будет |521 (0)2 = 0.25 или -6 дБ,

снижение нагруженной добротности относительно

собственной в М = 1 + Д + Д= 2 раза. КПД по

СВЧ при этом будет ] = 1 — (0.25Ку для отбора мощности со входа резонатора и г = 0.25[1 — (0.25Ку ] для отбора мощности с выхода резонатора.

Мощность в балластной нагрузке генератора с РБВ (рис.2,а) будет Рб = Ру^ — ])531(0)2 и

уменьшится до 0 при Д= 1+ Д. В генераторе с РБВ во входной линии связи (рис.2,б) также нет отражения. Мощности - прошедшая в нагрузку Рн , потерь

в резонаторе РсТ и прошедшая через резонатор Рп - будут

пр

Рн =

(1 — Д + Д )2 • Рр

р1

(1+ Д + Д )2

Р =

А ст

4Д • Рр

р1

(1+ Д +Д )2

_ 4ДД • Рр1

пр = (1+Д +Д )2

(9)

где Рр\ = Ру вых = КуРвх КПД по СВЧ ] в схеме рис.2,б выразится из (8), (9) как

г =

|5з:(0)2

1 — Д + Д2 1+Д +Д

(10)

Из (10) видно, что 1, когда Д ^ 0, но для самовозбуждения генератора при этом необходимо увеличивать К у. В стационарном режиме в схеме с

РБВ (рис.2,б) при любом 0<]< 1 выполняется условие |52 ^0)2 Ку = 1 или

Ку =(1 + Д + Д )2 (4ДД )—

Рассмотрим параметры этого генератора при неравных коэффициентах связи и условии, что нагруженная добротность уменьшается в то же число раз М = 1 + Д + Д= 2. Выберем Д= 0.15 и Д = 0.85, тогда КПД по СВЧ (10) будет ] = 0.723 при необходимом К у = 7.84 или 8.9 дБ. Подавление несу-

2

Сравнительные энергетические характеристики генераторов с РСВ и РБВ

Схема, рисунок ß1 ß2 |Sj0)2 K У PH 77 =-— P у вых P Ä CT P у вых

РБВ, рис.2,б 0.15 0.85 0.1275 KP = 7.84 "1- ß +ß2 " 1 + ß+Д_ 2 =0.723 |S21'2 = 0.15 ß2

РСВ, рис.1,а 0.5 0.5 0.25 ^ 7.84 1--1-=0.487 |S2! Kу S21 2 (1-7) =0 26 ß2

РСВ, рис.1,б 0.5 0.5 0.25 ^ 7.84 1 „ 12 1 S21--=0.12 ' 21 Ky S 21 ß2 2 = 0.5

РБВ, рис.2,а, P„=P1 РСВ, рис.1,а 0.85 0.15 0.1275 ^ 10 1--1-=0.216 S 21 Ky S 212 (1 -7) ß2 =0.67

РБВ, рис.2,а, P„=P2 РСВ, рис.1,б 0.85 0.15 0.1275 ^ 10 1 n |2 1 SJ--=0.0275 ' 21 Ky S 21 ß 2 2 -= 0.85

щей РБВ фильтром в схеме рис.2,б в сравнении со схемой рис. 2,а будет

(

A = 10lg

1-ßi + ß

V

= -1.4 дБ,

(11)

1+Д +Д,

что близко к погрешности измерения спектральной плотности мощности фазовых шумов. Такое подавление (т.е. подъем шумов) будет на частотах анализа, много больших полосы пропускания резонатора. В полосе резонатора относительный подъем шумов будет не более, чем на 0.7 дБ. В таблице приведены характеристики генераторов рис.1,а,б и рис.2,а,б с одинаковым параметром М = 2. Для генераторов рис.1,а,б и рис.2,а при связях Д =0.85 и Д2 =0.15 генерация при К у = 7.84 невозможна, поэтому расчет сделан для К у = 10.

Из таблицы видно, что генератор на РБВ (рис.2,б) с малой входной и большой выходной связями обладает наибольшим КПД по СВЧ и наименьшими потерями мощности на разогрев резонатора. Его особенностью является небольшой подъем шумов относительно несущей. Генераторы с РСВ (рис.1,б) и РБВ (рис.2,а) и отбором полезной мощности с выхода ре-

зонатора обладают наименьшим КПД и на практике применяются редко. Генераторы с РСВ (рис.1,а) и РБВ (рис.2,а) при большой входной связи и малой выходной удобны для подключения систем дополнительного подавления шумов [8].

3. Устойчивость транзисторных генераторов СВЧ с РСВ и РБВ. В схеме генератора с РСВ (рис.1) отражение от входа резонатора не только приводит к потере мощности, но и понижает устойчивость работы генератора. Последнее связано с тем, что транзисторы СВЧ и усилители на них обладают внутренней ОС (коэффициент передачи с выхода на вход усилителя

Sy 0). Отраженная от входа РСВ мощность через внутреннюю обратную связь усилителя попадает на выход резонатора и, отразившись от него, обратно на вход усилителя. Отражение от входа и выхода РСВ

резонанса (при || >> 1) может быть почти пол-|S 1(<^)| « 1, |S22(|) «1. Автогенератор с внешней ОС через РСВ при 0 (рис.1) для || >> 1 превращается в усилитель с внутренней ОС и отражением на концах линий связи с РСВ (рис. 3).

вне

ным

Рис. 3. Усилитель с внутренней ОС и отражением в линиях связи

1

Для безусловной устойчивости такого усилителя необходимо и достаточно выполнение соотношений [2]:

°12°21

2

< 1 —

< 1 + S y 2 — S y

о У 2 ?УгУ S11 , S12S21

yy °12°21

< 1 — y y y y

S11S22 °12°21

S22

(12)

При согласованных входе и выходе усилителя = $22 = 0 выражения (12) упрощаются до условий

$12$ 21 <1,

1 — 2

S12S21 + S12S21 = ( |S12S21 ^ > 0 ,

которые сводятся к одному

\<?У<?У °12° 21

(13)

< 1, означающе-

му невозможность выполнения баланса амплитуд и генерации даже при полном отражении на концах линий связи и отсутствии в них потерь. В общем случае

может быть

<?У <?У °12° 21

> 1 и самовозбуждения усилите-

ля на какой-либо резонансной частоте системы транзистор (усилитель) - линии связи с РСВ принципиально можно избежать только согласованием нагрузок на концах линий связи в широкой полосе частот, что в схеме с РСВ представляется невозможным без невзаимных элементов (вентилей, циркуляторов). Соотно-

шение

еУ еУ °12° 21

> 1 в схеме с РБВ не приводит к са-

мовозбуждению, поскольку отсутствует отраженный сигнал во входной и выходной линиях связи во всей полосе усиления. Вероятность выполнения в схемах с РСВ (рис.1 и рис.3) баланса фаз и амплитуд для самовозбуждения на какой-либо "паразитной" частоте тем больше, чем длиннее линии связи, меньше затухание в них, больше отражение от резонатора во всей полосе усиления усилителя и ниже устойчивость самого усилителя. Для измерительного автогенератора с переменными рабочей частотой и добротностью резонатора это тем более справедливо, т.к. нельзя использовать очень узкополосный усилитель и необходимо иметь достаточно большое усиление (запас по самовозбуждению) для компенсации падения S21 (0) при снижении добротности под влиянием измеряемой величины. Поэтому предпочтительны безусловно устойчивые усилители, в частности, на биполярных или полевых транзисторах в схеме с общим эмиттером (истоком).

Таким образом, отражение от входа резонатора нежелательно, т.е. должно выполняться условие S j(0) « 0. Для этого в соответствии с (1) входную связь в схеме с проходным РСВ нужно делать равной ß = 1 + ß2 > 1. Выходной коэффициент связи ß

выбирается из необходимого значения |S2 ^0)2 или допустимого снижения нагруженной добротности. Од-

нако вне резонанса Si(l) ^ 0 и отражение от входа РСВ, как правило, велико, что создает предпосылки для неустойчивой работы генератора (перескоки частоты, возбуждение на другой частоте при включении и др.).

При включении генератора с мягким возбуждением [4] автоколебания в нем нарастают из шумов, частота которых попадает в полосу усиления кольца автогенератора. Мощность тепловых шумов пропорциональна ширине полосы частот. При достаточно широкополосном усилителе полоса усиления в кольце определяется резонансной характеристикой петли ОС. Если в полосе усиления усилителя окажется не только высокодобротный (узкополосный) рабочий резонанс петли ОС, но и низкодобротный (широкополосный) "паразитный" с достаточным коэффициентом передачи, то мощность флуктуаций в полосе последнего может существенно превысить мощность в полосе высокодобротного. В этом случае выполнение условия баланса амплитуд для низкодобротного колебания более вероятно.

Баланс фаз в кольце генератора с общим фазовым набегом ф = 2л- n, где n > 3...5 (что обычно

для генераторов сантиметрового диапазона), может выполняться в полосе частот, в частности, за счет существенного изменения фазового сдвига в активных элементах усилителя в зависимости от их режима, как по постоянному току, так и по СВЧ. Последний сам зависит от параметров цепи ОС. Таким образом, активный элемент имеет возможность в определенных пределах подстраивать свои реактивные параметры и тем самым фазовый сдвиг. При увеличении электрической длины кольца автогенератора ф достаточные для баланса фаз изменения Дф в активном элементе уменьшаются, т.к. остальное до ф = 2л-n добирается значительным изменением фазы в длинных линиях связи и в резонаторе даже при небольшом изменении частоты (в пределах полосы пропускания "паразитного" резонанса).

Условием устойчивости стационарного режима генерации является, как известно, отрицательный наклон фазочастотной характеристики дф/да < 0 в кольце автогенератора (см., например, [9]). В проходном резонаторе с прямым просачиванием мощности (нерезонансным фоном) наблюдается изменение типа его фазочастотной характеристики с монотонной на немонотонную, имеющую экстремум, т.е. ветви с "устойчивым" (дф/да < 0) и "неустойчивым" (дф/да > 0) наклонами [10], что сужает область

устойчивой работы генератора при изменении его параметров.

4. Диодные генераторы СВЧ. В настоящее время генераторы СВЧ на диодах Ганна (ДГ) и лавинно-пролетных диодах (ЛПД) в сантиметровом диапазоне вытесняются транзисторными генераторами. Причиной этого являются низкий КПД диодов Ганна, значительные шумы ЛПД и сложность развязки входа и выхода активного двухполюсника. Однако генераторы на

2

2

ДГ обладают хорошими шумовыми характеристиками и в ряде случаев незаменимы. В генераторах на ДГ со стабилизацией охлаждаемым ДР, последний находится в криостате и удален от активного элемента на расстояние в десятки длин волн. Добиться при этом устойчивой стабилизации в традиционных схемах с полосно-пропускающим (ПП), отражательным (О) и полосно-отражательным (ПО) РСВ [3] практически невозможно без введения в тракт балластных нагрузок. Применение "резистивной связи" [3] и других вариантов резистивных нагрузок повышает устойчивость, однако характеристики такого устройства оказываются далеки от ожидаемых из-за значительных потерь мощности. Кроме того, реализация в чистом виде схемы с ПО диэлектрическим РСВ невозможна из-за особенностей возбуждения ДР. Во всех перечисленных схемах генератор на ДГ стабилизируется отраженным от резонатора сигналом. В схемах с ПП и О резонатором более мощный отраженный сигнал может быть на других частотах, кроме резонансной, в полосе, где проводимость ДГ отрицательна. При длинном тракте это создает предпосылки неустойчивой работы.

Устойчивые схемы стабилизации генератора на двухполюснике с отрицательной проводимостью (ДГ, ЛПД) и длинным трактом можно реализовать на основе ферритового циркулятора (ФЦ) (рис. 4,а,б) при направленном возбуждении стабилизирующего ДР в режиме РБВ. В этих схемах частота генерации определяется низкодобротным активным резонатором (АР) автогенератора. Сигнал внешней ОС появляется только в полосе пропускания высокодобротного ДР, которая находится в пределах полосы АР, и при соответствующей фазировке действует на активный двухполюсник как сигнал внешней синхронизации. Преимуществом схемы рис.4,а для охлаждаемых ДР является возможность отбора мощности на "теплом" конце линии связи без третьей линии из криостата.

Дополнительные фазовые шумы, вносимые фер-ритовым циркулятором, имеют уровень -160 ^ -190 дБ/Гц при отстройке 1 кГц, что существенно ниже шу-

мов активного элемента и является вполне приемлемой платой за радикальное решение проблемы устойчивости генератора на двухполюснике при длинных линиях связи с ДР.

Заключение. Проведенный анализ характеристик автогенераторов СВЧ с резонаторами стоячей и бегущей волны (РСВ и РБВ) в цепи обратной связи позволяет сформулировать следующие выводы. При одинаковых коэффициентах передачи и одинаковом снижении нагруженной добротности резонатора относительно собственной генераторы с РБВ позволяют получить большую полезную мощность и имеют большую устойчивость в сравнении с генераторами с РСВ. Наибольшим КПД по СВЧ и наименьшими потерями мощности на нагрев резонатора обладает генератор с отбором полезной мощности из линии связи с РБВ, слабо связанным по входу и сильно связанным по выходу. Уменьшение мощности нагрева резонатора важно в генераторах с криогенным охлаждением стабилизирующего сапфирового ДР из-за его температурного коэффициента частоты 10-5 град-1 на азотном уровне охлаждения (77 К) и дополнительных шумов акустической природы, возникающих из-за кипения криогенной жидкости вокруг экрана с ДР.

Самовозбуждение генераторов с одинаково связанными по входу и выходу РСВ и РБВ может происходить при наименьшем коэффициенте усиления усилителя для данного снижения нагруженной добротности относительно собственной. Общим преимуществом генераторов с РБВ является отсутствие сигнала, отраженного от входа резонатора, независимо от входного коэффициента связи и частоты в широкой полосе, что повышает устойчивость генератора. Для генераторов с дополнительными интерферометриче-скими схемами подавления фазовых шумов, использующих вход РСВ или РБВ как частотный дискриминатор с подавлением несущей, применимы схемы с сильной входной и слабой выходной связями резонатора. Генератор с РБВ при этом позволяет получить сигнал дискриминатора без использования ферритового циркулятора.

б

Рис.4. Схемы автогенераторов на активном двухполюснике с ДР в режиме РБВ и отбором мощности с направленных ответвителей (а) и из линий связи (б)

а

Вследствие низкого КПД диодов Ганна генератор на основе ДГ с дополнительной стабилизацией охлаждаемым ДР не может быть помещен вместе с ДР в криогенную жидкость из-за ее интенсивного кипения в этом случае. Линия связи генератора с охлаждаемым ДР оказывается длинной, что делает практически невозможной устойчивую стабилизацию отраженным от ДР сигналом. Устойчивая стабилизация такого генератора достигается в схеме с проходным ДР в режиме

РБВ с разделением входного и выходного сигналов резонатора с помощью ферритового циркулятора.

Существующий в реальных резонаторах нерезонансный фон (прямое просачивание мощности) сужает область устойчивой работы генераторов. Распределенное направленное возбуждение ДР в режиме РБВ позволяет снизить прямое просачивание мощности в сравнении с возбуждением РСВ концом линии, излучающим значительный нерезонансный фон.

Библиографический список

1. Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. Разделение частот в теории колебаний и волн. М.: Наука, 1983. 287 с.

2. Микроэлектронные устройства СВЧ / Под ред. Г.И. Ве-селова. М.: Высш. школа, 1988. 280 с.

3. Царапкин Д.П. Методы генерирования СВЧ колебаний с минимальным уровнем фазовых шумов: дис. ... докт. техн. наук. 05.12.04. М.: МЭИ, 2004. 415 с.

4. Капранов М.В., Кулешов В.Н., Уткин Г.М. Теория колебаний в радиотехнике. М.: Наука, 1984. 320 с.

5. Ланда П.С. Автоколебания в распределенных системах. М.: Наука, 1983. 320 с.

6. Егоров В.Н., Масалов В.Л., Табаков А.Б. Разработка высокостабильных малошумящих источников микроволновых сигналов с высокодобротными квантовыми и макроскопическими колебательными системами // Сб. отчетов по

научным проектам МНТП «Физика микроволн» за 1997 г. Н-Новгород: ИПФ РАН, 1998. Т.2. С.140-143.

7. Егоров В.Н., Токарева Е.Ю. Направленное возбуждение диэлектрических резонаторов // Материалы междунар. Сиб. конф. "Сибкон". Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. С.395-398.

8. Hartnett J.G., Tobar M.E., Ivanov E.N. Novel interferometric frequency discriminators for low noise microwave applications// IEEE Trans. UFFC. 1998. V.45, No. 6. P.1526-1536.

9. Царапкин Д.П. Фазовый шум в мостовых автогенераторах СВЧ // Радиотехника. 2006. № 3. С.20-24.

10. Егоров В.Н. Характеристики резонаторов сверхвысоких частот с нерезонансным просачиванием мощности // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2010. №8. С.493-503.