Строительные исследования
страница - 0
Создание высокостабильных генераторов миллиметрового диапазона длин волн
Антипов В.Б. (antip@elefot.tsu.ru) (1), Перфильев В.И. (2) (1) СФТИ при Томском госуниверситете, (2) ФГУП НИИПП
ВВЕДЕНИЕ
Расширение областей применения техники миллиметрового диапазона, освоение все более высокочастотных диапазонов и повышение требований к характеристикам источников СВЧ колебаний делают актуальной задачу создания генераторов, обладающих высокой стабильностью частоты. Между тем объективно существует отраслевое разделение между производителями генерирующих элементов (узлов) и потребителями, приспосабливающими их для своих нужд собственными средствами. Представляемая работа, объединяющая усилия коллективов разработчиков электронных компонентов и схемо/системотехников, направлена на построение ряда базовых схемных и конструктивных решений, обеспечивающих выполнение требований к источникам СВЧ колебаний миллиметрового диапазона при изготовлении их в едином производственном цикле. Это позволит в значительной мере удовлетворять спрос на диодные СВЧ генераторы, расширить их применение в радиотехнике, метрологии и т. п. Ниже отражены результаты совместных работ СФТИ при ТГУ и ФГУП НИИПП (Томск), проводившихся в 19992000 гг. Полученный опыт привел в выводу о целесообразности долговременного сотрудничества в разработке схемных и конструктивных решений, обеспечивающих изготовление в едином производственном цикле высокостабильных генераторов различного назначения, отвечающих современным требованиям.
Несмотря на конкуренцию со стороны транзисторных устройств, генераторы мм диапазона на диодах Ганна, обладая не меньшим КПД, остаются непревзойденными по чистоте спектра, что обеспечивает потребность в них в обозримом будущем. Окончательная цель исследования - широкое внедрение разработанных схемных решений в тех областях, где требуются высокостабильные генераторы СВЧ диапазона.
В настоящее время в НИИПП освоено изготовление СВЧ узлов, к которым относятся генераторы гармоник, умножители частоты и смесители, выполненные по интегральной технологии с подвешенными планарными схемами, обладающими высокой добротностью. В генераторах в настоящее время используются корпусные диоды. Перспектива перехода к бескорпусным структурам связана с решением проблемы теплоотвода.
Арматура СВЧ узлов изготавливается высококвалифицированным персоналом на опытном производстве НИИПП.
Получение колебаний со стабильной частотой и чистым спектром так или иначе предполагает частотно-фазовую привязку перестраиваемого генератора к колебаниям опорного генератора на основе высокодобротного резонатора или квантового перехода.
Теория фазовой автоподстройки достаточно полно отражена в зарубежной и отечественной литературе /1,2/, однако, ввиду того, что технические требования к узлам РЭА со временем усложняются, в каждом конкретном случае решение инженерных вопросов создания системы ФАП требует индивидуального подхода.
Главные параметры схемы ФАП определяются крутизной перестройки управляемого генератора, чувствительностью фазового детектора и частотной характеристикой петлевого фильтра. Классическая структура петлевого фильтра содержит пропорционально-интегрирующее звено 1 порядка типа R-RC. Известна также дуальная схема «charge-pump» типа RC-C /3/, удобная тем, что емкость варикапа, управляющего частотой, является элементом цепи и не нарушает ее структуру.
Качество схемы ФАП оценивается по спектру фазовых шумов, измеряемому в децибелах относительно несущей в полосе 1 Гц (дБн/Гц). На характеристиках схемы сказывается соотношение частот опорного и управляемого генератора, уровни шумов в отдельных узлах и в самих генераторах. К характерным чертам схем миллиметрового диапазона (и к ожидаемым трудностям) априорно следует отнести: большую крутизну перестройки, широкий спектр шумов, высокую кратность умножения опорного сигнала.
ТЕХНИЧЕСКАЯ БАЗА ИССЛЕДОВАНИЯ
Основные особенности работы схем фазовой привязки миллиметрового диапазона исследованы в ходе разработки, изготовления и исследования характеристик блока СВЧ генераторов, предназначенного для частотно-фазовой привязки лазера на молекулах HCN к колебаниям водородного стандарта частоты. Указанная разработка в 1999 г. финансировалась Институтом метрологии времени и пространства ГП ВНИИФТРИ. В 2000 г. доработка структуры и отдельных узлов блока вместе с дальнейшим исследованием и улучшением характеристик проводились в рамках проекта 15.01.39 МО РФ.
Стабилизированный лазер служит первым звеном (радиомостом) лазерной умножитель-ной цепи, имеющей в конечном счете выход в оптический диапазон /4/. Существовавший ранее
ИСХОДНЫЕ СООБРАЖЕНИЯ
парк клистронных генераторов, обеспечивавших нужные частоты СВЧ диапазона, морально устарел и в настоящее время заменяется полупроводниковыми генераторами.
В разработанном блоке осуществляется ступенчатая частотно-фазовая привязка каскада СВЧ генераторов к колебаниям HCN-лазера (диапазон 890 ГГц) по стандартной схеме частото-образования. Блок содержит перестраиваемые по частоте генераторы диапазонов 74 ГГц и 8,2 ГГц снабженные выделителями сигналов биений, генератор опорных частот 250 МГц, 30 МГц, 5 МГц и 2,5 МГц, привязанный к эталонному сигналу квантового стандарта 5 МГц, и три схемы частотно-фазовой автоподстройки.
Источниками СВЧ колебаний явялются диодные генераторы. Частота 74,2 ГГц получается удвоением частоты генератора диапазона 37,1 Ггц. Это решение обосновано тем, что для применяемых арсенид-галлиевых диодов получение частот выше 50 ГГц так или иначе связано с умножением, то есть генерацией гармоник. Энергетически же выгоднее умножать частоту не на самой нелинейной проводимости генерирующего диода, а на отдельном варикапе. Стремление добиться наибольшей мощности в диапазоне 74 ГГц обусловлено необходимостью получения достаточного превышения над шумами сигнала биений 1 2-й гармоники с колебаниями лазера. Мощность СВЧ генераторов распределяется в три канала: контроля, смешения с гармоникой более низкочастотного сигнала и гармонического смешения с более высокочастотным сигналом.
Схема частотообразования выглядит следующим образом. Сигнал биений излучения лазера на частоте 890760 МГц с 12-й гармоникой генератора 74232,5 МГц, выделяемый на полупроводниковом детекторе, поступает на вход первой схемы частотно-фазовой автоподстройки ФАП-1 , где сравнивается с опорным сигналом 30 МГц. Сигнал частотно-фазовой расстройки с выхода ФАП-1 управляет частотой генератора 74232,5 МГц, синхронизуя его с HCN-лазером.
Ответвленный сигнал частоты 74232,5 МГц смешивается с 9-й гармоникой генератора 8247,5 МГц и порождает сигнал биений с номинальной частотой 5 МГц, поступающий на вход схемы ФАП-2, где сравнивается опорным сигналом. Сигнал частотно-фазовой расстройки с выхода ФАП-2 управляет частотой генератора 8247,5 МГц, синхронизуя его с генератором 74232,5
МГц.
Ответвленный сигнал частоты 8247,5 ГГц смешивается с 33-й гармоникой опорной частоты 250 МГц и порождает сигнал биений с номинальной частотой 2,5 МГц, поступающий на вход схемы ФАП-3. Сигнал с выхода этой схемы используется для управления частотой HCN-лазера, синхронизуя его с колебаниями эталонного генератора.
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2]