автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.01, диссертация на тему:Исследование диапазонных СВЧ резонаторов и их использование в транзисторных автогенераторах

......

,;сртаций_

государственный комитет по народному образованию

и высшей школы рсоюр нижегородский ордена трудоюго красного

знамени политехнический институт

На правах рукописи

Ротков Леонид Юрьевич

УДК: 621.372.001

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИАПАЗОННЫХ СВЧ РЕЗОНАТОРОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТРАНЗИСТОРНЫХ АВТОГЕНЕРАТОРАХ

(05.12.01 - Теоретические осноеы радиотехники)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- Нижний Новгород, 1992 -

Работа выполнена на радиофизическом факультете Нижегородского ордена Трудового Красного Знамени государственного университета им. Е И. Лобачевского

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Б. С. Воинов кандидат технических наук, доцент С. М. Рылаков

доктор технических наук, профессор С. Б. Раевский кандидат технических наук, доцент С.Г.Семенов СМНИИРС, г. Москва) НПО "Салют" (г.- Нижний Новгород)

Защита состоится 20 марта 1992 г. в 15 час. . на заседании специализированного совета Д 063.85.03 по теоретическим основам радиотехники при Нижегородском политехническом институте (603600, г. Нижний Новгород, ГСП- 41, ул. Минина, 24, корп. 1, ауд. 1258).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Нижегородского политехнического института.

Автореферат разослан 15 февраля 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических нзук, доцент - А. Н. Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Шрокодиапазонныэ СВЧ автогенераторы являются одними из основных узлов, определяющих качественны» показатели радиопередающих и радиоприемных систем: диапазонные свойства, временную и температурную нестабильность, надежность, габариты и массу, стоимость изготовления и др. В настоящее зремя в результате широкого использования радиотехнических систем во всех сферах деятельности человека остро возникла проблема электромагнитной совместимости этих систем. Пртшггэльно к диапазонным автогенераторам проблема £152 выдвигает на первый план задачу создания генераторов с малым уровнен фазовых п вмшггудных супов. Особенно высокие требования к качеству электрических характеристик предъявляются к автогенераторам, прэдпазкзчэпннм для использования в радиоизмерительной аппаратуре.

Анализ зерубэгг.Ой технической литературы, каталогов известных иностранных фирм показывает, что построение маломощных СВЧ генераторов развивается по следующим основным направлениям: г. синтезаторы частоты; 2. твэрдотельные генераторы с магнитной перестройкой ЕЙГ; 3. ТЕэрдотелышз управляемые напряжением генераторы С ГУН), псполъзук^э в качестве элементов перестройки варак-торныз дглды; -4. твердотельные СВЧ генераторы с механической перестройкой <псго?н. Чгтырз указанных направления взаимно дополняет друг друга, обеспечивая рынок потребителей СВЧ генераторов. В ■отечественной промыаяенвоати примерно два десятилетия назад четвертое направление построения генераторов было практически закрыто, в результата чего прекратился выпуск и совершенствование простых - и сравнительно дэсзвых измерительных СВЧ генераторов. Нэжду теы потребность в таких генераторах велика. Таким образом, задача ■ построения простых по конструкции транзисторных автогенераторов является актуальной.

Репэнке задачи создания высококачественных транзисторных автогенераторов вклвчаэт в себя два ключевых вопроса: выбор колебательной скстеш; выбор схемы автогенератора и ее конструктивное выполнение." Оба вопроса взаимосвязаны и должны решаться одновременно.

В качестве колебательных систем автогенераторов с механической перестройкой частоты используются высокодсбротные объемные механически перестраиваемые резонаторы.; Хорошо зарекомендовали

3

себя на практике: а) коаксиальный резонатор, перестраиваемый бесконтактным поршнем в виде кольца прямоугольного сечения; б) коаксиальный резонатор с 1 -образным поршнем; в) волноводный С четвертьволновый) резонатор, перестраиваемый за счет изменения длины внутреннего проводника; г) коаксиальный ступенчатый резонатор. Опыт использования перечисленных резонаторов вскрыл ряд присущих им недостатков. К ним следует отнести, во-первых, сильное "укорочение" рееонаторов выходной емкостью активного прибора или краевой емкостью, возникгшцей в месте обрыва внутреннего проводника, во-вторых, сложность конструктивного сочленения активного элемента - транзистора с резонатором и осуществления коррекции обратной связи и, в-третьих, ограниченный величиной 10 -14 ГГц частотный диапазон.

для построения высококачественных и простых по конструкции транзисторных СВЧ автогенераторов необходимо разработать новые конструкции колебательных систем. Проведенный анализ показал, что наиболее полно перечисленному комплексу требований удовлетворяют рассматриваемые в диссертационной работе полуволновыэ резонаторы» Еспросы исследований которых к настоящему времени являются откры-

Автогенераторам с механической перестройкой частоты присущ неустранимый недостаток - нет возможности "быстрой" перестройки частоты. Для "быстрой" перестройки чадр всего используют схемы генераторов с электронной перестройкой частоты варикапом. Несмотря на тс, что вопросы построения варахгорных автогенераторов хорошо изучены, при решении практических задач, особенно в СБЧ диапазоне, возникают новые вопросы. К ним можно отнести задачу точного расчета колебательных систем с варактороц и вопрос линеаризации их настроечных характеристик.

Таким образом, необходимость создания современных колебательных систем для высококачественных транзисторных автогенераторов, различных фильтрующих систем, а также отсутствие методики их точного проектирования определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Цель диссертации:

- провести исследование перспектив построения механически перестраиваемых резонаторов на диапазон частот 1- 20 ГГц; разработать методику их машинного проектирования;

- исследовать и создать варакторные колебательные системы,

ишюгие линейную функцию перестройки, и разработать методику их оптимального проектирования но критерию обеспечения заданной линейности;

- исследовать особенности построения высококачественных транзисторных автогенераторов СВЧ, обладающих высокими электрическим:! характеристиками в широком диапазоне частот.

Научная твивна работы.

Рассмотрен малоизученный ранее класс полуволновых резотто-.роэ с механической перестройкой частоты: установлены их диапазон-якэ сгойства, проведен анализ энергетических характеристик. Разработала иэтсод!ма расчета резонатороЕ, основанная на методах мн-пшжого аяаяиа цепей СВЧ. . Предложена конструкция полуволнового резонатора с измэняв^гйся длиной внутреннего провод*"'¡а, обеспе-чиваи^ая перекрути? по частоте до 18 - 20 ГГц. Новизна решения подтевргдэпа авторским свидетельством.

На основа ттода поискового проектирования на ЭВМ разработаны повза иэтодикэ синтеза фильтра НЧ для объемного резонатора и кзтодика оптимизации параметров колебательных систем с линейкой электрической перестройкой частоты, использованная в работе при создавши двух новых колэбатвльных контуров, на которые получены азторсдаэ сшщетельстаа.

Проведено исследование колебательных систем СВЧ с включенными в них транзистором и варикапом. Показано, что для точного рис-чэта. :а характеристик необходим ранее не сделанный учет паразитных рвактизностей электронных приборов.

Исследованы особенности построения СЗЧ автогенератора с индуктивной связью. Показано, .что такие - автогенератор« имеют малый уровень фазовых пумов и по своим характеристикам не уступают луч-пзш гаруЗемшм аналогам. Приведено техническое решение автогенератора с подтвержденной авторским свидетельством новизной.

Практгыескзя ценность. Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при'конструировании твердотельных автогенераторов, >оИЛИгелей СВЧ сигналов, преселекторов и различных фильтров.

Предложенные новые конструкции полуволнових резонаторов с механической перестройкой частоты (главы 1 и 2). обеспечиваю.цие удобное конструктивное сочленение' с активным прибором, элементами связи и позЕОЛяхдие корректировать величину коэффициента связи транзистора е резонатором, могут найти применение при построении

широкодиапазонных СЗЧ автогенераторов с низким уровнем фдуктуа-ций. Для построения таких автогенераторов может быть использована схема с индуктивной связью, особенности которой исследованы в четвертой главе диссертации.

Рассмотренные в третьей главе колебательные контура я СВЧ резонатор с линейной электрической перестройкой частоты могут быть использованы в широкодиапазонных резонансных цепях. Крона того, такие устройства могут служить основой для построения высо* колинейных ЧМ-модуляторов.

Нз защиту выносятся:

1. Модели, результаты анализа и методики расчета подуводно-вых коаксиальных резонаторов с механической перестройкой частоты.-

2. Методика синтеза на ЭВМ короткозамыкавдэго фильтра нижних частот для коаксиального резонатора. .

3. Результаты анализа диапазонных свойств полуволнового СВЧ резонатора с варакторной перестройкой частоты с учетом индуктив-костей выводов и сопротивления потерь варикапа. "

4. Методика и результаты параметрической оптимизации колебательных контуров и СВЧ резонатора с линейной ' электрической перестройкой частоты. •

5. Условия согласования транзистора о цолуволновым резонатором на основном тоне колебаний и на первом обертоне' о учетом влияния реактивностей активного элемента. ■

6. Результаты исследований особенностей схемы СВЧ автогенератора с индуктивной СВЯЗЬЮ. '

Апробация результатов. Результаты диссертационной работы докладывались на' Всесоюзной научно-технической конференции "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных-,устройств" (г.Москва - г. Горький, 1981г. ), 1-й научко-техничэской конференции дых специалистов Сг. Горький, 1977г.), научной конференции молодых ученых Еолго-Вятского региона (г. Горький, 1985г.), итоговой научной конференции ГГУ (г.Горький, 1985г. ), а гага» семинарах кафедры радиотехники НГУ, где выполнялась работа.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в статьях [1-143, а также в тезисах докладов конференция 115-171. ■

Объем работы. Диссертация содержит 127 страниц основного текста, 49 страниц иллюстраций, список литературы на 76 наименований, общий объем работы 219 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, - четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений.

Во введении показана актуальность выбранной темы исследований, обсуждено современное состояние проблем, сформулирована цель работы, показаны пути решения поставленных задач и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе исследуются диапазонные свойства полуеолново-го резонатора с перестройкой частоты бесконтактным поршнем в виде кольца прямоугольного сечения.

В разделе 1.1 описана конструкция резонатора, отмечена его ваэная особенность - электрическая симметрия относительно середины, за счет чего в свободной полости резонатора могут быть размерны транзистор, элементы расстройки частоты и сеяви с нагрузкой. В разделе 1.2 проведена оценка максимальной и минимальной резонансных длин воля.

В разделе 1.3 проведен расчет настроечных характеристик резонатора в приближении теории длинных линий без учета волн высшего типа, вознккагсзи в областях торцевых поверхностей поршня. Подучено и ресвно на ЭШ нормированное трансцендентное уравнение резонанса, зависящее от двух безразмерных параметров: М - параметра нерегулярности в к • относительной длины поршня. Результаты ревенка нормированного уравнения резонанса приведены в виде семейств нормированных кривых. Получено, что величина нормированной резонансной длены солны резонатора находится в интервале 1,8-10. ГЬкаэако, что . при приемлемых для практики геометрических размерах, резонатор имеет рабочий диапазон частот от 0,5 до б ГГц.

С целью уточнения настроечных характеристик в разделе 1.4 проведен анализ диапазонных свойств резонатора методом частичных областей. В результате использования граничных условий и сшивания электромагнитных полей на границе раздела частичных областей получена бесконечная система однородных нормированных алгебраических уравнений относительно неизвестных амплитудных коэффициентов, которая записана в матричной форме. Условие нетривиальности решений полученной системы уравнений дает детерминантное уравнение для расчета резонансных частот detCD(w,M,k)3-0. Полученное уравнение решалось в тр'ех приближениях. Результаты решения уравнения на ЭВМ приведены в виде семейств нормированных кривых.

В разделе 1.5 проведена оценка степени совпадения результа-

тоь расчетов двумя методами. Установлено, что для М > БО результаты расчетов практически совпадают. Для М < 40 учет волн высших тонов приводит к сдвигу настроечных кривых в сторону более длинных волн, а результаты расчетов отличаются друг от друга на 15 -- 20 7,. Точность расчето? диапазонных свойств резонатора электродинамическим методом подтверждают экспериментальные исследования, результаты которых приведены в разделе 1.6. Даны рекомендации по проектированию резонатора:

- для работы е сантиметровом диапазоне длин волн нужно так выбирать безразмерные параметры, чтобы максимизировать длину резонатора: для этого следует выбирать значения параметра М в интервале от 5 до 20, а к в интервале от 0,1 до 0,2; при расчетах необходимо пояьгиьаться настроечными кривыми, полученными точным электродинамическим методом;

- при конструировании резонатора на дециметровый диапазон. рекомендуется с целью получения более коротких конструкций выбрать М е интервале от 40 до 70, а к в интервале от 0,3 до 0,ЗЕ; расчет диапазонных характеристик молио производить с помощью аппарата ■теории длинных линий.

5о второй гллве исследованы два резонатора с перестройкой частоты га счет изменения длины внутреннего проводника: полувол-ное=:й резонатор с телескопическим Енутреныш проводником и полу-золновый резонатор, замкнутый с двух сторон.

Б разделе 2.1 описана конструкция коаксиального СВЧ резонатора с телескопическим внутренним проводником - рис. 1. Исследова-

ние. 1 Конструкция резонатора с Уравнение резонанса составле-телескопическим внутренним про- ко программны}.! способом на

матрицы резонатора, элементы которой зависят от пяти безразмерных параметров, описывающих геометрию системы. Уравнение резонанса рс-'.'-нз на ЭВМ, результаты реиения приведены в виде нормированных настроечных кривы/. Получено, что нормированная длина волны резо-

ны диапазонные свойства резонатора в приблилаэнии теории длинных линий. Для этого составлена эквивалентная схема резонатора из пяти эквивалентных четырехполюсников.

водником.

ЭВМ путем вычисления эквивалентной нормированной АВСО-

натора изменяется в интервале от 2,5 до 4,5, а резонатор имеет приемлемые для практики геометрические размеры при работе в диапазоне частот от 2 до 10 ГГц. Рассчитанный коэффициент перекрытия по частоте резонатора чуть меньсе деух. Резонатор можно применять для решения ряда практических задач.

В разделе 2. 2 исследоЕана добротность 0 резонатора. Установлено, что СМ 2-3)*103, что обусловлено отсутствием в рассматриваемой конструкции резонатора паяных соединений. Проведено экспериментальное исследование резонатора, работающего в диапазоне частот 1;5 - 2,5 ГГц. Результаты испытаний приведены в разделе 2.3. Отмечено полное совпадение характера теоретических и экспериментальных настроечных кривых, подтверждающее правильность выбора математической модели резонатора, а малое рл- вождение, не превышающее 4 X, между экспериментальными и расчетными данными говорит о правильности учета краевых эффектов.

В разделе 2. 4 исследуется замкнутый с двух сторон полуволно-вый резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии изменяются длины, замкнутым по переменному току с одной стороны- подвижным 1, з с другой стороны — неподвижным 2 короткозамыкателями (рис.Я). Отличительной особенность® резонатора является то, что

его рабочим типом колеба-

" ' ' i

722

7Z>

JJML

v; ; sss ; ; ss/>.

Z ú.

■ Рис. 2 Конструкция полуволнового резонатора, замкнутого с двух сторон

кий во всем диапазоне перестройки является ТЕМ-Еолна, поскол1'-у на противоположных концах резонатора обеспечивается эффективное короткое замыкание и резонатор остается регулярным при изменения положения внутреннего проводника. Максимальный рабочий диапазон частот резонатора достигает 18 - 20 ГГц. Проведенное в разделе 2.5 сравнение добротностей предлагаемого полуволнового и известного че:^ертьволноЕОГО резонаторов показало, что добротность полуволновой конструкции в 1,5 раза вьше добротности четвертьволнового резонатора.

Основным условием работоспособности резонатора является эффективность короткого замыкания тю переменному току в плоскости неподвижного коротковамыкателя. Поэтом-/ ь разделе 2. б поставлена и ре сена задача синтеза фильтра НЧ, обеспечивающего в полосе за-

держания короткое замыкание по переменному току. Оптимальный фильтр должен иметь минимальное входное сопротивление в рабочем диапазоне частот при наименьшей длине. В качестве целевой выбрана

Функция

{-Zc„*aic(£i* + l-J, Cl)

где Т-снмакс ' максимальное нормированное входное сопротивление сильтра, К- * ^ - аддитивная свертка нормированных длин /¿у секций фильтра с Бесовыми коэффициентами Kf-. Максимальное нормированное входное сопротивление фильтра определено в задаче анализа программным способом с использованием эквивалентной схемы фильтра. Задача синтеза фильтра определена как задача нахождения . экстремума целевой функции (1) в области допустимых изменений проектных параметров — нормированных длин секций фильтра Решение задачи синтеза фильтра НЧ проведено на ЭВМ с использованием программы поиска глобального .экстремума функции многих переменных на сетке кода Грея. В результате решения задачи-синтеза получено несколько вариантов фильтра: пятизвенный фильтр НЧ на полусосредоточенных элементах, четвертьволновый однозвенный фильтр с емкостным входным сопротивлением, распределенный трехзвенный фильтр. Наиболее оптимальным по выбранным критериям является одно звенньй четвертьволновый фильтр.

В разделе 2.7 приведены результаты экспериментальных исследований резонаторов, работающих в диапазоне частот 5-10 и Э-18 ГГц. Максимальное отклонение экспериментальных настроечных кривых от закок.; / »Л/2 не превышает 5 X, что подтверждает сделанные выводы о работоспособности резонатора в диапазоне частот до 18 -20 ГГц.

Б третьей главе проведено исследование колебательных систем с ьаракторами.

В разделе 3.1 рассмотрены диапазонные свойсва полуволнового СВЧ резонатора с варакторной перестройкой с учетом индуктивностей еыеодов и сопротивления потерь Еарикапа. Получены нормированное уравнение резонанса и выражение для резонансного сопротивления roe е месте включения транзистора. В результате проведенных на ЗВМ вычислений получены нормированные настроечные характеристики и кривые изменения R . Из анализа кривых сделан вывод, что индуктивности еыводов варикапа сдвигают резонансную частоту системы в сторону более длинных еолн в 1,5 - 2 раза Кроме того, из-за 10

наличия индуктивностей выводов варикапа увеличивается коэффициент перекрытия по час Фоте. Из кривых (Г) следует, что за счет изменения коэффициента включения транзистора в контур можно обеспечить как увеличение, так и уменьшение резонансного сопротивления с ростом ^ютотк Т.

3 разделах аг - 3.5 рассмотрен вопрос линеаризации настроечных характеристик колебательных контуров с электрической перестройкой частота Суть используемого способа линеаризации состоит в нахождении структуры реактивной цепи, подключенной к варикапу, обгспечиваю-чэй линейность функции перестройки. Такая цепь должна иметь в рабочем диапазоне частот такую зависимость Х(*), чтобы производная <1ХЛ1* убывала с ростом частота. Требуемую частотную характеристику мотет иметь при некотором определенном соотношении элементов известный контур второго рода.

3 работе поставлена и решена задача параметрической оптимизации колебательного контура с варикапом по критерии наивысшей линейности настроечной, кривой. Для этого составлены нормированные уравнения резонанса для контура с варикапом, вольт-фарадяая характеристика которого задана аналитически, и для случая использования варикапа, закон изменения емкости которого от управляющего напряжения определен экспериментально. Решение этих уравнений определяет нормированную настроечную характеристику контура.

Целевая функция определена как максимальное отклонение настроечной кривой от линейного закона

и - { тах | сГ(1) 1, I - 1,..п У (2)

а задача параметрической оптимизации определена как задача минимизации целевой функции и в области допустимых изменений двух проектных параметров. Введены птрафные ограничения на целевую функции и. которые накладываются в том случае, если коэффициент перекрытия по частоте контура меньше наперед заданной величины Для решения задачи оптимизации использован метод поискпвого проектирования на сетке кода Грея. Решение проведено для варикапов с различными показателями распределения примесей в р-п переходе и для серийного варикапа КИША, вольт-фарадная характеристика которого определена экспериментально.

3 разделе 3. 4 произведена оценка добротности линеаризированного контура в рабочем диапазоне частот. Установлено, что кз-за влияния низкодобротной корректирующей цепи добротность контура уменьшается только на 10-20 2.

Для расширения диапазона линейной перестройки предложено использовать контур с двумя варикапами, когда перестройка по частоте осуществляется в два этапа * На каждом из этапов перестраивается один варикап, а второй является корректирующим элементом, осуществляющих линеаризацию настроечной кривой.

В разделе 2.5 поставлена и решена задача параметрической оптимизации контура с двумя варикапами по критерию обеспечения наивысшей линейности настроечной кривой. Методика оптимизации аналогична методике оптимизации контура с одним варикапом. В результате решеы'-Я задачи наедено оптимальное соотношение элементов контура, который имеет 60 I -дую перестройку по частоте при 2 1-ной линейности настроечной кривой.

В работе предложен СВЧ резонатор с линейной варакторной перестройкой, состоящий из нерегулярного отрезка линии передачи, замкнутого с одной стороны, и варикапа, подключенного к разомкнутому концу ¡внутреннего проводника. Нерегулярный отрезок линии передачи образован соединением трех регулярных отрезков, имеющих различные длины и волновые сопротивления.

В разделе 3.6 определены оптимальные величины элементов резонатора с линейной настроечной характеристикой. Для ,-навит задачи оптимизации подучено нормированное уравнение резонанса, зависящее от четырех безразмерных параметров, определена допустимая область изменения этих параметров. Задача решена в двух вариантах. 3 лерЕсм случае резонатор оптимизировался по критерию обеспечения наивысшей линейности с использованием целевой функции 12) 31 методики оптимизации сосредоточенного контура. Во втором случае ресалась задача обеспечен'-^ максимального коэффициента перекрытия по частоте при заданной величине линейности -настроечной характеристики. Для этой задачи сформирована вторая целевая функция и - 1/К, со кграфными ограничениями на пее. Установлена связь коэффициента перекрытия резонатора по частоте с величиной линейности. Так, резонатор, оптимальный по второму критерию, обеспечивает в дза раза большую перестройку по сравнению с резонатором, оптимальным по первому критерию.

3 четвертой гхззе обсуждаются ьопросы построения транзисторных автогенераторов С2Ч.

3 разделе 4.1 рассмотрен вопрос расчета автогенератора с по-лузслкоеым контуром с учетом влияния реактивностей активного элемента, а также вогоос согласования транзистора с резонатором. На

основе упрощенной схемы автогенератора получено нормированное уравнение резонанса, из решения которого в виде нормированных кривых получено, что учет индуктивноетей быеодов транзистора и его мекдуэдект родной емкости приводит к сдвигу в сторону низких частот собственной резонансной частоты полуволнового резонатора Кз анализа выражения для резонансного сопротивления колебательной системы получены условия согласования транзистора с резонатором и ограничения на безразмерные параметры А - 2-ГоСр /1 и В -(С - выходная емкость транзистора с учетом емкости разделительного конденсатора, Ь - суммарная индуктивность выводов транзистора, 1 - длина резонатора, у) Еоляовое сопротивление, о - скорость света): А,В > 8 на основном тоне колебаний и А,В > 1,6 на первом обертоне. Из полученных результатов определено, что учет реактив-ностей выводов транзистора ■ существенно влияет на электрические характеристики генератора

В разделе 4.2 приведены варианты выполнения транзисторных автогенераторов по схемэ с индуктивной связью с использованием предложенных конструкций полуволновых резонаторов. В этой схеме активный элемент включен в контур по схеме с общей базой п закреплен в рабочей полости резонатора. Связь транзистора с резонатором осуществляется с пошцьи двух индуктивных витков. Включение транзистора и олемэнтоз связи в полость механически перестраиваемого резонатора позволяет обеспечивать различные конструктивные решения коррекции величины связи транзистора с резонатором.

В работе выяснены основные особенности схемы автогенератор;: с индугаивной связыа. С помощью эквивалентной схемы резонатора получено условно резонанса колебательной системы. Показано, что частота генерации близ кг?, к собственной частоте резонатора в случае, если частоты контуров связи расположены выпэ или ни»; рабочего диапазона частот гек--ратора. Из анализа условия самовозбуждения установлены необходимые соотношения между величинами ьг моиндукцга Ы, и витков связи с резонатором; величины м^ и м. должны иметь противоположные знаки; необходим выполнение неравенства |М( ) > |М„|. ЙЭ условия самовозбуждения получено, что дли обеспечения генерации в сароком диапазоне частот необходимо увеличение коэффициента обратной связи с ростом частота

Экспериментальные исследования автогенератора с индуктивной связью проводились на базе предложенного в работе транзисторного генератора с колебательной системой в виде коаксиального ступен-

13

чатого резонатора. Транзистор вгаючен в полост^ резонатора в секции с большим волновым сопротивлением.- Взаимное расположение витков связи обеспечивает необходимые условия генерации, а за счет экранирующего действия бесконтактного поршня на витки связи обеспечивается управление частотой зависимостью, коэффициента обратной связи. Результаты измерёния спектральной плотности фазовых шумов от частоты анализа исследуемого автогенератора на частоте 500 МГц приведены в разделе 4.3. Установлено, что разработанный автогенератор имеет уровень фаговых иумов -188 дБ при отстройке 10 КГц и не уступает по этому параметру зарубежным аналогам. Разработанный автогенератор использован в ГК БИП в установке для измерения фазовых шумов автогенераторов. П; ктмческое использование автогенератора подтверждено актом.

Результаты диссертационной работы использованы на радиофизическом факультете Нижегородского госуниверситета при разработке цикла лабораторных работ и в КБ "Квазар" при создании СВЧ транзисторных автогенераторов дециметрового и сантиметрового диапазона длин волк. Результаты использования подтверждены соответствующими актами.

В пршюхения вынесены описания пакетов прикл' ;яых программ, разработанных в процессе проведения исследований.

В заключении приводятся основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Теоретически и экспериментально исследованы диапазонные свойства полуволнового резонатора с механической' перестройкой частоты бесконтактным поршнем в виде кольца прямоугольного сечения. Расчеты произведены с применением теории длинны» линий я с помощью точного электродинамического метода (Щ>). Показано, что расчет резонатора на сантиметровый диапазон следует производить электродинамическим методом; при конструирования резонатора, предназначенного для работы в диапазоне дециметровых воли, можно использовать приближение теории длинных линий. '

2. Рассмотрена новая конструкция полуволнового резонатора с телескопической перестройкой частоты, разомкнутого на противоположных концах. Составлена эквивалентная схема резонатора, выведено и решено нормированное ура.аекне резонанса, построены нормированные настроечные кривые. Показано, что диапазонные свойства резонатора определяются как краевыми емкостями, так и величиной 14

разделительной еыкости между телескопическими проводниками. Ис : следовала добротность резонатора. Установлено, что добротность резонатора в рабочем диапазоне частот имеет величину 2000 - 3000, что является следствием отсутствия в предложенной конструкции паяных соединений. 1Ъ результатам теоретических и экспериментальных исследований установлено, что резонатор с телескопической перестройкой частоты следует попользовать в диапазоне частот 2-10 ГГц.

3. Предлогана новая конструкция полуволнового резонатора, замкнутого с двух сторон, с механической перестройкой частоты за счет кзьэнэшя даты внутреннего проводника Показано, что такой резонатор предэльнуп герхнюю частоту диапазона перестройки 18 - 20 ГГц. Разработана методика синтеза на ЭШ фильтра нижних частот, обеспечивагг-зго аффективное короткое замыкание в плоскости неподвижного коротко?ашкателя резонатора, Приведены результаты эиопарккэитааньпс исследований, подтверждайте главное свойство резонатора - ого работоспособность на частотах до 18 - 20 ГГц на. основном тон» поогбавия.

4. Рассмотрены ДЕапазонгагэ свойства полуволнового резонатора с варектаркой перестройкой частоты с учетом индуктквностей выво-доз а сопротивлэгпя потерь варикапа. ЛЪлучены нормированные урав-пею» резонгйса и 'вгфзаяггэ для резонансного сопротивления в се-чэипя. подпскэпнз скгнвкого элемента. Построены семейства нор££ЯроЕгшш 1~стрС0Ч1ШХ 1фявых резонатора и нормированных кривых рэгонгпспого сопрртизлэния. Показано, что при учете индуктив-иостой. ЕН20Д03 сзрягапа козффйцкзнт перекрытия по частоте резонатора Сольсэ пэ срагггэЕрэ со случаем, когда индуктивность выводов равна цула. Устапозгзпо, что за счет изменения коэффициента включения транзистора о рзгояатор ыощо обеспечить требуемое измдне-нкэ рэгонанспого сопротивления системы при перестройке частоты.

5. Рассмотрен сопрос линеаризации настроечных характег стик колебатедьныз систем с акоктрачгской перестройкой частоты варикапом за СЧЭ7 приманэнкя корректирующее цепей. Предлоге на новая схекз колебательного контура с двумя варикапами, обеспечивающая расширение диапазона линейной перестройки. Предложена новая конструкция СЗЧ резонатора с линейной перестройкой частоты варикапом.

Разработана методика параметрической оптимизации колебательных систем с корректирующем» цепями по критерию обеспечения каи-выесзй линейности настроечных характеристик и по критерию обеспе-

15

чеккя максимального коэффициента перекрытия «ло частоте при заданной величине линейности настроечной кривой. Отличительная особенность разработанной методики - возможность оптимизировать колебательные системы с варикапом, ьольт-фарадная характеристика которых задана аналитически или определена акоперишвталыю. Получены оптимальные нормированные вначення элеыэнтов колебательных систем с варикапами, имеющими различные показатели .распределения примесей в р-п переходе, и о сериал варикапом тиса Ш10Л.

6. Рассмотрены две схемы построения транзисторных автогенэ-раторо на основе предложенных новых конструкций подуволвовых резонаторов: схема автогенератора с контуром шжду коллектором и базой транзисюра; схема с индуктивной свяьею. Получены соотношения для расчета реактивностей транзистора в схеме с коптуроы шк-ду коллектором и базой для обеспеченна кавболмай величины рвво-нансного сопротивления.

Выяснены основные осаянностн схемы автогенератора с индуктивной связью. Определены соотношения между собственной частотой резонатора и частотами контуров связи. Пэлучэко, что козффкциэкт взаимоиндукции коллекторного л эматтерного витков свдвя с ревоза-тором должны иметь противоположны» вншш, причем овяьа коллекторного витка должна быть болыве, чем связь амиттервого витка. Показано, что для обеспечения генерация в широком дкавазсвэ частот необходимо увеличение коэффициента связи с ростов частоты.

Показан^. что исследованные в работе подуводпоЕШ резонаторы обеспечивают удобное сочленение с транзистором и *шдугстакык: витками связи, причем при перестройке' частоты коз&здйзнт связи транзистора с резонатором увелг -ивается с ростом »еатоги.

Проведено экспериментальное исследование разработашаго-диапазонного транзисторного автогенератора с шдуктшнзй связью, построенного на коаксиальном ступенчатом резонатора. Устыювхзео, что по уровни фазовых Еумо в исследованный автогенератор ко уступает лучшим зарубежным аналогам.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕЫЗ ДКССЕРТАЦШ

1. Рыжаков С. М., Ротков Л Ю. Расчет полуволнового резонатора с варакторной перестройкой частоты. //Изб. БУЗое. Радиоэлектроника, 1983, 26, Н 1, С. 87-89.

2. Рыйекое С. К. Ротков Л Ю., Пресняков Б. П. Диапазонный -гран-

зисторный автогенератор дециметровых волн с низкими фазовыми пумами//Приборы и техника эксперимента. 1989. N3. С. 116-117. Ротков Л. И., Рыжжов С. М, Силин Е. а Оптимизация параметров колебательного контура с варакгорной перестройкой частоты. //Изв. ВУЗов. Радиоэлектроника, 1991, 34, N 7, С. 97-100. Рыбаков С. VL , Силнн Е. а , Ротков Л. П. Перестраиваемый автогенератор ДМВ с индуктивной связью// Электромагнитная совместимость: Ifejssya. сб-к науч. трудов/ Горьк. ун-т. Горький, 1980. а 90-97.

Рыязиов С. Е, Ротков ДИ Расчзт резонаторов с Z и П-обрззны-ш порпяями// Электромагнитная совместимость: Шжвуз. сб-к научн. трудов/Горьк. ун-т. Горький, 1983, С. 67-8Б. Ротков Л. EL, Рызгаков С. 11 Диапазонные свойства полуволновых резонаторов// Электромагнитная совместимость: Шгауз. сб-к научн. трудов/Горьк. уь-т. Горький, 1985, С. 80-86. Ршекоз С. Ц., Рожков JL П. Экспериментальное исследование автогенератора изтройых волн с перестройкой частоты на варакто-рэ со свэрхрззким шреходои// Электромагнитная совместимость: ¡йквуз. сб-к каучп. трудов/ Горьк. ун-т. Горький, 1987, С. 6267.

Ротков JLÜ, Рьезкоз С. 1.1 Расчет диапазонного полуволнового резонатора с перестройкой частоты бесконтактным поршней/ Ра-доткзюрятельнгя аппаратура для ресэния задач ЭШ РЭС: ife*-зуз. сб-к научн. трудов/Го рь к. ун-т. горький, 1988, с. 69-78. Рькютэ О. IL', Рот коз ДЕ Расчзт колебательной системы транзисторного СВЧ автогенератора// Радиоизмерительная аппаратура для рзпэпка еадач SU РЭС: Изгауз. сб-к науч. трудов/ Горьк. ун-т. ГорышЗ, 1S89. а 88-93.

Рыбаков С. U., Ротков Л. U Оптшгаация на ЭШ СВЧ-резонатора с лкпэйкой ггргкторЕой" перестройкой частоты// Радиоизмерительная 'аппаратура для рвсзннз задач ЭИЗ РЭС: Иеявуз. сб-к научн. трудоа/ Горьк. ун-т. Горький, 1990, с. 78-85. Рыгаков С. Е , Снлин Е. Е , Ротков Л. ¡0. Сверхвысокочастотный автогенератор: А, с. 797515 CCCP//R И. 1987. N 16. Силин аа, Рыбаков С.И, Ротков Л.Ю., Самарин ЕЕ Колебательный контур е электрической перестройкой частоты: A.c. 1332520 СССР// а К. 1987. Н 31.

Рьиаков С. VL, Ротков Д Я реэонатор: А. с. 1420627 СССР// а И. 1988. N 32.

14. Рыжаков С.М., Ротков JLU, Пресняков Е П. Перестраиваемый СВЧ резонатор: А. с. 1Б39874 СССР//Е. И. 1990. Н 4.

15. Рыжакоз С. М , Ротков Л. Ю. Иейледование диапазонных свойств лолуволновых коаксиальных резонаторов и вопроси кх использования в радиоприемных СВЧ устройствах. Всесоюзная науч. -техн. конференция "Развитие и внедрение новой техники радиоприемных устройств". Тезисы докладов. 1981. г. Нэсква-г. Горьюй. С. Б&

16. Рыжаков с. Ы., Ротков Л. tL Алгоритм электродинамического расчета на ЭВЫ диапазонных свойств подуьолнового коаксиального резонатора. //Материалы итоговой научной конференции радиофизического факультета Горьк. ув-та за 1985 г., г. Горький, Э--5 февраля .386 г., Деп. ВИНИТИ 1987, 1 6567-В87ДЕП, С. 128-143.

17. Ротков Л. 1QL Алгоритм расчета диапазонных свойств полуволнового коаксиального резонатора. //Еаучная конференция молодых ученых .Волго-Вятского региона Тезисы докладов, г. Горький, 1986, С. 180.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение

Глава 1. ПэлуЕолновые коаксиальные резонаторы, перестраиваемые бесконтактным поршнем

1.1. Описание конструкции

1.2. Приближенный расчет минимальной и максимальной резонансных длин волн

1.3. Расчет диапазонных свойств в приблигешт теории длинных линий

1.4. Расчет диапазонных свойств методом частичных областей

1.5. Сравнение результатов ррзчетов, полученных штодоы № и в приближении теории длинных линий

1.6. Результаты экспериментальных исследований

Выводы

Глава 2. Исследование полуволновых коаксиальных резонаторов перестройкой частоты изменением длины внутреннего про водника

2.1. Диапазонные свойства «заксиального СВЧ резонатора телескопической перестройкой частоты

2. 2. Добротность коаксиального СШ резонатора с телескоп»

. ческой перестройкой частоты

2.3. Экспериментальные исследования г.олуволнового реэонато-рз с телескопической перестройкой частоты

2.4. Диапазонный полуволновый коаксиальный резонатор, замкнутый с двух сторон

2. б. Сравнение добротности полуволнового резонатора с доб-

ротностью четвертьволнового резонатора

2.6. Синтез фильтра НЧ полуволнового резонатора, замкнутого с двух сторон

2.7. Экспериментальные исследования полуволнового резонатора, замкнутого с двух сторон

Выводы

Глава 3. Исследование колебательных контуров с электронной перестройкой частоты

3.1. Диапазонные свойства полуволноврго резонатора с варак-торной перестройкой частоты

3.2. Линеаризация настроечных характеристик колебательного контура с'электрической перестройкой частоты варикапом

3.3. Оптимизация параметров колебательного контура с линейной электрической перестройкой частоты

3. 4. • Добротность колебательного контура с линейной элект-

ронной перестройкой частоты

3. б. Колебательный контур с электронной перестройкой частоты двумя варикапами

3.6, Синтез СЕЧ резонатора с линейной электрической перестройкой частоты

Выводы'

Глава 4. Построение диапазонных автогенераторов с коаксиальными резонаторами

4.1. Выбор схемы диапазонного автогенератора СВЧ

4.2. Исследование транзисторного диапазонного автогенератора с индуктивной связью

4.3. Экспериментальные исследования транзисторного автогенератора с индуктивной связью

Выводы

Заключение

Список литературы

Приложения: 1. Пакет прикладных программ анализа диапазонных свойств полуеолноього резонатора с бесконтактным

19

поршнем

2. Пакет программ синтеза фильтра НЧ полуволнового резонатора замкнутого с двух сторон

3. Пакет оптимизации колебательных систем с линейной электрической перестройкой частоты'варикапом

Подп.к печати 5,02.1992г. Форм.бук60Х84.Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.печ.1,5. Уч.изд.В.С л. Заказ to 718. Тирак 100 экз.____

Лаб.мноя.техн.ННГУ. г.Н.Новгород пр.Гагарина, 23