Источники опорных колебаний сверхвысокочастотного диапазона

Для автогенераторов диапазона СВЧ используются дополнительные, по сравнению с кварцевыми генераторами, параметры качества. В частности, влияние на частоту фазы коэффициента отражения характеризуется коэффициентом затягивания частоты — разностью в мегагерцах между максимальным и минимальным значениями частоты для всех возможных значений фазы коэффициента отражения при коэффициенте стоячей волны КСВ = 2. Например, для хорошего интегрального генератора на частоту 100 МГц коэффициент затягивания частоты может составлять 50…70 кГц, а для управляемого по частоте генератора миллиметрового диапазона со средней частотой около 20 ГГц — 1 …5 МГц.

Изменения частоты опорного генератора СВЧ при нестабильности питающего напряжения характеризуются чувствительностью к вариациям напряжения питания, которая измеряется в Гц/В при номинальной температуре и согласованной нагрузке. Для опорного генератора среднего качества без кварца на частоту 100 МГц чувствительность к вариациям напряжения питания может составлять 10…30 кГц/В, а для генератора диапазона 15 ГГц — до 10… 30 МГц.

Для стабилизации частоты колебаний автогенераторов сверхвысокочастотного диапазона применяют в дополнение к основной колебательной системе стабилизирующие частоту элементы: линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), сферы из железоиттриевого граната (ЖИГ) в магнитном поле (ЖИГ-перестройка частоты), диэлектрические резонаторы из лейкосапфира или других высокодобротных диэлектриков, сверхпроводящие полые металлические резонаторы в сосудах с глубоким охлаждением.

Резонаторы с использованием ПАВ могут иметь добротность порядка нескольких тысяч. Автогенераторы на ПАВ имеют повышенную (до 10…23 дБмВт) выходную мощность и малый уровень фазовых шумов. Пример зависимости СПМ фазового шума вблизи несущей частоты S_V(F) для таких генераторов был приведен на рис. 2.2.

Использование высокодобротных дисковых диэлектрических резонаторов позволяет увеличить до 30 ГГц выходную частоту генераторов с относительной нестабильностью частоты порядка 1… 5 млн^-1. На основе таких резонаторов, выполненных из лейкосапфира, созданы генераторы фиксированных частот диапазона 8… 10 ГГц с выходной мощностью 13 дБмВт, имеющие исключительно низкие фазовые шумы вблизи несущей частоты. Техника дисковых диэлектрических резонаторов СВЧ позволяет создавать генераторы со стабильностью, превышающей достигнутую в кварцевых и даже атомных устройствах. Но здесь имеются проблемы повторяемости значения частоты от одного экземпляра резонатора к другому, высокая стоимость материала и изготовления из него резонатора.

Резонаторы на железоиттриевом гранате имеют сферическую форму и эквивалентную добротность порядка нескольких тысяч, поэтому они обеспечивают нестабильность частоты порядка 10 млн^-1 при возможности электронной перестройки на октаву и более изменением тока подмагничивания. Специфическим параметром таких генераторов является допустимый уровень гистерезиса, т. е. разности резонансных частот при изменении направления перестройки стабилизирующего резонатора. Например, при рабочей частоте около 3 ГГц скачок частоты из-за гистерезиса при изменении направления перестройки частоты может составлять 10…20 МГц. Кроме того, схемы управления током подмагничивания имеют невысокую граничную частоту полосы пропускания по частотам модуляции порядка единиц или десятков килогерц, а конструкция управителя частотой усложнена необходимостью размещения ЖИГ-резонатора и источника управляемого магнитного поля в СВЧ тракте. Поэтому перестраиваемые по частоте с помощью ЖИГ-рсзонаторов автогенераторы применяются главным образом в панорамных анализаторах спектра, измерительных приемниках, сканирующих устройствах радиомониторинга или в генераторах помех, где допустим режим сравнительно медленного и монотонного изменения сигнала, управляющего частотой.

Автогенераторы миллиметрового диапазона длин волн с частотой до 100…220 ГГц используют в качестве активного элемента арсенид-галлиевые полевые транзисторы, диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды, что позволяет получить мощность до 30 дБмВт при относительной нестабильности частоты порядка сотых долей процента.

Использование сверхпроводящих резонаторов позволяет обеспечить сверхвысокую стабильность частоты генерации (относительная нестабильность частоты — порядка 10″ ¹⁶), превышающую достигнутую для атомных стандартов частоты. Однако повторяемость частоты от одного экземпляра к другому оказывается недостаточной, а конструкция для поддержания режима сверхпроводимости слишком сложна.

К опорным генераторам примыкает группа электронных фазостабильных компонентов, которые служат для переноса стабильности частоты в диапазон СВЧ: умножители частоты высокой кратности и системы фазовой автоподстройки частоты. В отличие от типовых синтезаторов сетки стабильных частот, рассмотренных в гл. 3 —5, в таких узлах отсутствуют средства организации мелкого шага по частоте: нужный номинал выходной частоты задается частотой кварцевого резонатора. За счет такого упрощения внутренней структуры собственный вклад этих компонентов в фазовые нестабильности небольшой. Выпускаются модели широкополосных умножителей частоты с кратностью 2…64 при выходной частоте до 96 ГГц и мощности до 10 дБм Вт. Умножение частоты производится либо за счет ее преобразования на нелинейной емкости варактора, либо в системе фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ с фиксированным делителем частоты подстраиваемого автогенератора. В последнем случае схема снабжается индикатором отсутствия режима биений за пределами полосы захвата и схемой ускоренного поиска зоны синхронизма.