УДК 621.373
ПЕРЕСТРОЙКА ЧАСТОТЫ КОЛЕБАНИЙ ПАВ-ГЕНЕРАТОРА
Игорь Валентинович Никонов1, Галина Сергеевна Никонова2
Омский государственный технический университет1, Омск, Россия
АО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения»1, Омск, Россия
Аннотация – Рассмотрены некоторые характеристики, а также принципы реализации перестраиваемых генераторов с частотно-избирательными устройствами на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Приведен пример типовой структурной схемы ПАВ-генератора и топология встречно-штыревых преобразователей ПАВ-линии задержки и ПАВ-резонатора. Приведены результаты исследования плавной перестройки частоты колебаний ПАВ-генератора фазовращателем на основе двухканальной ПАВ-линии задержки.
Ключевые слова – ПАВ-генераторы, ПАВ-резонаторы, ПАВ-линии задержки, частотная перестройка.
I. ВВЕДЕНИЕ
Разрабатываемые в настоящее время управляемые и опорные генераторы с акустоэлектронными компонентами на поверхностных акустических волнах (ПАВ) уже являются конкурентно способными при применении их в частотном диапазоне от 10 МГц до 2-3 ГГц, особенно, в сравнении с LC-генераторами [1]. Схемная реализация таких генераторов – это электронный усилитель и частотно-избирательное устройство в виде акустоэлектронного ПАВ-резонатора или ПАВ-линии задержки, включенные в цепь положительной обратной связи. Несомненными достоинствами ПАВ-генераторов являются миниатюрные размеры, современная технология изготовления, возможность получения сравнительно неплохих технических характеристик (спектральных характеристик, кратковременной и долговременной стабильности частоты колебаний). Однако не решены многие сложные задачи, требующие дополнительных исследований. Примерами таких задач и проблем, в частности, являются: необходимость повышения температурной стабильности частоты колебаний; необходимость разработки ПАВ-генераторов с широкодиапазонной плавной или дискретной перестройкой частоты колебаний и некоторые другие.
II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
В частотном диапазоне выше 100-200 МГц уже удается получить кратковременную стабильность частоты колебаний ПАВ-генераторов с резонаторами и линиями задержки (ЛЗ) лучше, чем 10-10-10-11 относительных единиц [2]. Кроме того, при разработке для этих частот генераторов с ПАВ-резонаторами достигается относительно мощность спектральной плотности фазовых шумов в спектре выходного сигнала на 10-20 дБ меньше, чем при умножении частоты колебаний генератора с объемным акустическим резонатором (при отстройках более 1 кГц от средней частоты колебаний). Это, например, имеет большое значение при применении таких ПАВ-генераторов в радиотехнических устройствах анализа современных радиолокационных станций, так как при применении более высококачественных функциональных узлов существенно увеличивается дальность обнаружения движущихся объектов.
Однако при проектировании генераторов для радиотехнических устройств связи, в зависимости от их назначения, необходимо обеспечить или возможность небольшой подстройки частоты (доли процента от средней частоты колебаний), или же широкодиапазонной плавной или дискретной перестройки частоты (единицы-десятки процентов от средней частоты колебаний). Постановка задачи исследования следующая. Разрабатываемое устройство планируется применять в системах различного назначения: и в качестве управляемого по частоте генератора, и в качестве автогенераторного датчика для изменения температуры в диапазоне изменения температуры от 0 до 400С. В связи с этим частотно-избирательное устройство ПАВ-генератора было выполнено на пьезоподложке из ниобата лития температурно-зависимого YZ-среза. В этом случае, без применения схемотехнической термокомпенсации или обычного термостатирования генератора, температурные флуктуации вызовут относительное изменение частоты колебаний генератора 0,9·10-4/град. В заданном температурном диапазоне от 0 до 400С относительное изменение частоты колебаний ПАВ-генератора уже составит 0,36·10-2 (0,4%). При применении устройства в качестве автогенераторного датчика температуры перечисленное выше является положительным эффектом. Однако для использования устройства «как управляемого по частоте генератора» в том же температурном диапазоне, необходимо оценить возможность плавной перестройки частоты колебаний ПАВ-генератора в тех же пределах - 0,36·10-2 (для компенсации температурного ухода частоты колебаний). Один из вариантов реализации плавной перестройки частоты колебаний ПАВ-генератора рассматривается в данной публикации.
III. Теория
На рисунке 1 приведена структурная схема генератора, в цепь положительной обратной связи которого могут быть включены различные частотно-избирательные ПАВ-устройства (фильтры): ПАВ-линии задержки или ПАВ-резонаторы.
Рис. 1. Структурная схема ПАВ генератора
Электронный усилитель может быть однокаскадным или двухкаскадным, в зависимости от выбранной частоты колебания, от фазового сдвига в ПАВ-устройстве на этой частоте и от вносимого этим устройством ослабления. «Электронным фазовращателем» в схеме на рисунке 1 названо «устройство», которое может либо выполнять функции управляемого фазовращателя (в схеме генератора с плавной перестройкой частоты) или же функции выбора дискретных частот настройки (в схеме генератора с дискретной перестройкой частоты колебаний).
На рисунках 2,3 показаны топологии встречно-штыревых преобразователей (ВШП) некоторых ПАВ-фильтров, которые могут быть применены в цепи обратной связи генератора [3].
б)
Рисунок 2 – Топология ПАВ-резонаторов
Топологическая структура одновходового ПАВ-резонатора (рис. 2а) включает в себя один ВШП и пару отражательных решеток (металлических полосок или параллельных канавок). Электрическая эквивалентная схема такой резонансной структуры для основной (первой) гармоники – это параллельный колебательный LC-контур третьего вида. Диапазон изменения фазочастотной характеристики в полосе пропускания такого резонатора равен ? - радиан.
Связанный ПАВ-резонатор (рис. 2б) состоит из двух близко расположенных одновходовых резонаторов, выполненных на одной пьезоподложке. Общая шина в топологической стртуктуре резонатора выполняет функции волновода (волновод G на рисунке 2б) и обеспечивает слабую акустическую связь. Такая топологическая структура по эквивалентной электрической схеме аналогична колебательной системе из двух «связанных» колебательных LC-контуров. В полосе пропускания такого резонатора, в отличие от «традиционного» одновходового резонатора, диапазон изменения фазочастотной характеристики в два раз больше (2?-радиан). Это позволяет, при необходимости, увеличить диапазон плавной перестройки частоты ПАВ-генератора внешним фазовращателем практически в два раза, в сравнении со схемой, в которой применен одновходовой ПАВ-резонатор.
Рисунок 3 иллюстрирует топологию встречно-штыревых преобразователей «традиционной» одноканальной ПАВ-линии задержки с двумя встречно-штыревыми преобразователями. Встречно-штыревые преобразователи ПАВ ЛЗ на рисунке 3 – эквидистантные, неаподизованные
Рисунок 3. Одноканальная ПАВ-линия задержки
Основные свойства такой одноканальной ПАВ ЛЗ (без учета эффектов второго порядка):
- потери мощности в линии задержки - 3дБ (за счет двунаправленного излучения);
- потери из-за несогласования с внешними цепями – определяются схемотехническими решениями;
- относительная ширина полосы пропускания по первым нулям амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) 2?fпп=1/N, где N - число пар электродов более узкополосного ВШП (имеющего большее количество пар электродов);
- время запаздывания акустического сигнала в линии задержки ?з=L/vср, где L – рабочая длина линии задержки (расстояние между центрами ВШП), vср – средняя скорость ПАВ (с учетом изменения скорости на металлизированной поверхности);
- частоты АЧХ, для которых фазовые сдвиги в ПАВ ЛЗ кратны 2?n (n – целые числа) - следуют с шагом 1/?з;
- устойчивый одночастотный режим работы генератора с такой ПАВ ЛЗ обеспечивается при выполнении условия при проектировании топологии ЛЗ 2?fпп=1/?з (условие модовой селекции).
Для дальнейших исследований выбрана двухканальная ПАВ ЛЗ, так как в этом случае просто реализуется и частотно-избирательное ПАВ-устройство и фазовращатель.
IV. Результаты исследования
Исследовались характеристики одночастотного ПАВ-генератора с плавной перестройкой частоты колебаний со средней частотой колебаний f0= 20 МГц. В схеме генератора была применена двухканальная ПАВ ЛЗ выполненная на пьезоподложке из ниобата лития, с тремя последовательно расположенными ВШП (входной ВШП - средний), что позволило избавиться от потерь мощности из-за двунаправленного излучения. Запаздывание в каждом из каналов ПАВ ЛЗ составляло около 1,6 мкс. При проектировании ПАВ ЛЗ выполнено условие модовой селекции для обеспечения в схеме генератора устойчивого одночастотного режима. Кроме ого, рабочая длина одного из канала ПАВ ЛЗ имеет большую рабочую длину на величину ?0/4 (?0=vср/f0,), то есть на частоте f0 сигналы с выходных ВШП имеют примерно одинаковую амплитуду и разность фаз ?/2 радиан. В схеме генератора сигналы с выходных ВШП суммируются через варикапы и подаются на схему «общая база» первого каскада двухкаскадного усилителя. Второй каскад выполнен по схеме «общий коллектор» (с его выхода электрическое колебание подается на входной ВШП). Параметры электронных радиокомпонентов следующие. Транзисторы биполярные КТ3162А (fТ=700 МГц, h21Э=110); варикапы для реализации сумматора-фазовращателя КВ136А (коэффициент перекрытия 3, начальная емкость 19 пФ при обратном напряжении минус 4 В). За счет использования варикапов электронным способом можно изменять амплитуды сигналов с выходных ВШП при их суммировании на входе усилителя, изменяя при этом (теоретически) фазовый сдвиг такого фазовращателя в пределах от 0 до ?/2 радиан. Для генератора с рассмотренной выше двухканальной ПАВ ЛЗ такое изменение фазового сдвига соответствовало бы плавной перестройке частоты колебаний на величину около 150 кГц (около 1% от средней частоты колебаний).
В экспериментах с генератором на среднюю частоту 20 МГц диапазон плавной перестройки частоты колебаний генератора был примерно 60 кГц (0,4%), что объяснялось реальными характеристиками фазовращателя на варикапах, примененного в данной схеме для перестройки частоты. У данного генератора на частоту 20 МГц можно оптимизировать некоторые характеристики, применив варикапы с меньшей начальной емкостью. При таком изменении радиоэлементов схемы будут другие коэффициенты передачи по напряжению сигналов с выходных ВШП и диапазон частотной перестройки близок к 1%.
VI. Выводы и заключение
Проведенные исследования подтвердили принципиальную возможность эффективного плавного управления частотой ПАВ-генератора управляемым фазовращателем. Фазовращатель (или его «составные части») для перестраиваемого по частоте ПАВ-генератора целесообразно выполнять также топологическими методами на той же пьезоподложке, что и частотно-избирательное ПАВ-устройство. В данных экспериментах диапазон плавной перестройки частоты составил около 60 кГц при средней частоте колебаний 20 МГц. Вместо ПАВ ЛЗ с последовательным расположением каналов можно также применять ПАВ ЛЗ с параллельным расположением каналов.
Список литературы
Фазовые шумы ПАВ генераторов УКВ диапазона / , // Материалы VIII международной конференции «Динамика систем, механизмов и машин. Книга 3. - Омск: изд. ОмГТУ, 2012. – С.273-276. Минимизация шумов ПАВ генератора за счет системного проектирования / , // Известия вузов. Физика. Томск: изд. ТГУ. – 2015. -№8-2. – С. 114-117.……………………………………………………… ……………………………………………………………
, специалист, к. т.н., АО «Омский научно-исследовательский институт приборостроения».
, к. т.н., доцент, доцент кафедры «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета.
