Физические принципы работы ВЧ и СВЧ генераторов.

Стандарты частоты и времени.

Классификация и параметры источников опорных колебаний.

Лекция 7. Основные виды и параметры источников опорных колебаний

Классификация источников колебаний.

Характеристики источников опорных колебаний.

Вопрос 1

Классификация и параметры источников опорных колебаний

1.1. Классификация источников колебаний

Основное назначение ВЧ или СВЧ генератора – преобразование энергии источника постоянного тока в энергию ВЧ или СВЧ колебаний. В зависимости от природы первичных электромагнитных колебаний различают 2 основных типов генераторов:

а) автогенераторы, работающие в режиме самовозбуждения или автоколебаний, частота которых определяется параметрами самого устройства. Используется в основном в качестве источника опорных колебаний.

Рис. 4.1

б) генераторы с внешним возбуждением, работающие в режиме усиления входного сигнала по мощности или умножения его частоты.

Рис. 4.2.

В обоих типах генераторов используется одни и те же типы электронных приборов физические принципы их работы можно рассматривать в рамках общей теории.

Далее разговор в основном об источниках опорных колебаний. Классификация осуществляется по различным признакам.

По типу активного элемента:

- на логических микросхемах;

- на операционных усилителях;

- на электровакуумных лампах;

- на транзисторах (биполярных, полевых);

- на полупроводниковых диодах СВЧ (туннельных, лавинно-пролетных, Ганна);

- на электровакуумных генераторных приборах (на отражательных клистронах, на магнетронах, на лампах бегущей (обратной) волны, на митронах, на стабилитронах и др.);

- на квантовомеханических генераторных приборах – молекулярных генераторах;

- лазерах (полупроводниковых, твердотельных и жидкостных); и т.д.

По виду колебательной системы:

- с RC-элементами;

- с LC-элементами;

- с кварцевыми резонаторами;

- с дисковыми диэлектрическими резонаторами СВЧ;

- с резонаторами на полосковых или двух проводниковых линиях;

- с объемными резонаторами;

- с резонансными резонаторами;

- со сверхпроводящими резонаторами;

- с резонаторами на поверхностных акустических волнах (ПАВ)

- с резонансными цепями на основе квантовых переходов;

По способу управления частотой:

- перестраиваемые;

- с управлением частоты на варикапах;

- с ферритовыми управителями частоты на железо-иттриевом гранате (ЖИГ – перестройка);

- с управлением частотой за счет изменения U пит.;

- с управляемыми реактансами;

По способу защиты от влияния дестабилизирующих факторов:

- в незащищенном исполнении;

- с термокомпенсацией;

- с термостатированием;

- со средствами радиационной и/или влагозащиты;

- с термовиброустойчивыми частотно-задающими элементами;

- с амортизирующей конструкцией;

Далее по признакам.

По назначению.

По рабочей частоте.

По уровню паразитного отклонения частоты.

По выходной мощности.

По сервисным возможностям.

1.2. Характеристики источников опорных колебаний

Основные характеристики источников опорных колебаний:

- форма выхода сигнала;

- частота повторения сигнала на выходе;

- выходная мощность;

- уровень нестабильности частоты.

Вспомогательные параметры источников опорных колебаний количественно определяют чувствительность основных параметров к изменениям внешних факторов (температуры, влажности, радиации, вибрации и т.п.)

+ Потребительские свойства

+ Сервисные возможности

Выходная мощность

где V₀² – амплитуда выходного напряжения,

R_н – согласованная активная нагрузка ( по умолчанию R_н = 50 Ом)

Единица измерения:

1) в ваттах (А)

2) в дБ относительно определенной мощности

а) относительно 1 милливатта (10^-3) дБ мВт

б) относительно 10^-9Вт дБ нВт

в) относительно 10^-12Вт дБ пВт

Уровень несинусоидальности

Вариант 1 – в дБ содержание мощности второй А₂, третьей А₃ и след. гармоники в спектре выходного сигнала по отношению к мощности несущего колебания

Вариант 2 – в дБ или разах отношение мощности А₂, А₃ к мощности А₁.

Нестабильность частоты после установления теплового режима (длительность «выбега» частоты) зависит от постоянной времени колебательной схемы и характера тепловых процессов в конструкции генератора) является случайным процессом. Параметры этого процесса определяются внутренними явлениями движения зарядов (дробовые и тепловые эффекты) и влиянием факторов внешних воздействий (давление, tº, влажность, вибрация, радиация, ЭМИ).

При расчетах и проектировании надо знать S_φ(F) (см. лек. 1).

Кратковременная нестабильность опорного генератора – СКО за определенный отрезок времени δ_к(Т_к), Т_к = 1, 10, 100, 1000с при усредненном за 1, 10, 100мс.

Долговременная нестабильность (дрейф) частоты δ_д(Т_д), Т_д – сутки, неделя, ..., несколько лет при усреднении за 1ч или 1 сутки. Характеризует эффекты старения и деградации.

Температурный коэффициент частоты (ТКЧ) измеряют при номинальной температуре в относительных миллионных долях на 1ºС (10^-6/C).

Вариации фазы за короткое время могут проявлять эффект дрожания, который обусловлен влиянием пульсаций питающего напряжения, внешними акустическими воздействиями (микрофонный эффект) или фликкер-эффектами в элементах генератора. Оценивают среднее квадратическое отклонение количества моментов перехода фазы через Ǿ за 1с и измеряют в пикосекундах.

В таблице представлены параметры источников опорных колебаний.

Таблица 4.1. Параметры источников опорных колебаний

Вопрос 2