2.6. Автогенератор с согласованной линией задержки на ПАВ [1983 Дворников А.А., Огурцов В.И., Уткин Г.М. - Стабильные генераторы с фильтрами на поверхностных акустических волнах]

Для улучшения ряда характеристик автогенераторов с устройствами на ПАВ применяют согласование (компенсацию) статических емкостей преобразователей. В диапазоне СВЧ индуктивные согласующие элементы могут быть выполнены методами пленочной технологии. Применение цепей согласования имеет преимущества и недостатки. К преимуществам следует отнести уменьшение вносимых потерь и увеличение коэффициента передачи устройства на ПАВ. Это позволяет получить больший уровень выходной мощности и повысить КПД по сравнению с автогенератором с несогласованным устройством на ПАВ.

В автогенераторе с согласованием может быть осуществлена очень простая модуляция и подстройка частоты. Это достигается изменением частоты согласующего контура путем подключения к образующемуся контуру варикапа. Однако при согласовании, как правило, ухудшается долговременная стабильность частоты автогенератора за счет влияния нестабильностей элементов цепей согласования.

В простейшем случае согласование (компенсация) достигается последовательным (при малой активной составляющей входного или выходного сопротивления АЭ) или параллельным (при большой активной составляющей входного или выходного сопротивления АЭ) подключением ко входу преобразователей внешних индуктивных элементов. Образующийся при этом контур (параллельный или последовательный) должен иметь собственную частоту резонанса, близкую к частоте акустоэлектрического синхронизма.

Рассмотрим автогенератор с симметричной ЛЗ ПАВ при параллельном согласовании статических емкостей преобразователей. Для простоты считаем, что g₁ = g₂ = g, ωC_T - (1/ωL) ≈ 2С_Т(ω - ω_с) ∼ g, где ω_с = 1/√LС^Т - резонансная частота контура согласования.

Хотя при согласовании статических емкостей преобразователей уровень трехзаходового сигнала увеличивается, для простоты анализа будем считать (как и ранее), что условие слабого прохождения ПАВ через ЛЗ реализуется.

Собственные частоты линейной резонансной системы автогенератора могут быть определены из (2.21), где

Выражение для определения управляющего сопротивления автогенератора R имеет вид

Видно, что управляющее сопротивление R принимает максимальное значение при точной компенсации

Кроме того, требуется также выполнение условия G_a = g, Если ω_k = ω_а, то для рассматриваемого автогенератора получаем

Графическое решение уравнения баланса фаз (2.21) для различных значений Т и ω_с = ω_а в случае симметричной согласованной ЛЗ ПАВ, выполненной на HС-срезе кварца при N = 100, приводится на рис. 2.13, a (g = G). Ha рис. 2.13, б приводится зависимость управляющего сопротивления R от собственной частоты ω_k. Как и ранее, для одномодовой генерации желательно обеспечить задержку Т, близкую к τ. Видно, что при согласовании возрастает влияние реактивных составляющих проводимостей излучения преобразователей на фазовую характеристику ЛЗ ПАВ. Например, для выбранного пьезоэлектрика (НС-срез кварца) и при количестве пар штырей в преобразователе, равном 100, получаем, что влияние реактивной составляющей проводимости излучения приводит к тому, что зависимость сдвига фазы от частоты на входе (выходе) линейной резонансной системы переходит через нулевое значение трижды - на частоте ω_а и в двух соседних боковых лепестках частотной характеристики ЛЗ ПАВ.

Из рис. 2.13, а видно, что для обеспечения одномодовой генерации относительная акустическая длина ЛЗ ПАВ при ω_k = ω_a должна быть равна

Рис. 2.13. Графическое решение уравнения баланса фаз (а) и зависимость управляющего сопротивления от собственной частоты wk (б) для автогенератора с несимметричной согласованной ЛЗ ПАВ (HС-срез кварца) для ф = 0, N = 100, g = G; ---- М - натуральное число; - - - М = 1/2(2m - 1) (m - натуральное число)

Рис. 2.13. Графическое решение уравнения баланса фаз (а) и зависимость управляющего сопротивления от собственной частоты ω_k (б) для автогенератора с несимметричной согласованной ЛЗ ПАВ (HС-срез кварца) для φ = 0, N = 100, g = G; ---- М - натуральное число; - - - М = ¹/₂(2m - 1) (m - натуральное число)

Если частота согласования ω_с отличается от ω_а, то оптимальная относительная акустическая длина ЛЗ ПАВ М₀ в предположении выполнения условия

Величина m в (2.58) и (2.59) - ближайшее целое число к требуемой эффективной добротности линейной резонансной системы автогенератора, равное числу пар электродов в избирательном ВШП.

Из (2.59) видно, что если акустическая длина ЛЗ ПАВ равна целому числу длин волн mλ, то обеспечить равенство ω_k = ω_а можно как при точной настройке двух контуров ω_c1 = ω_c2 = ω_a, так и при расстройке контуров согласования в разные стороны от частоты ω_а, т. е. при выполнении равенства

Причем во втором случае управляющее сопротивление меньше, чем в первом.

Для повышения выходного сопротивления линейной резонансной системы автогенератора, а также для фильтрации выходного сигнала может применяться согласование лишь одного выходного преобразователя. В этом случае оптимальной относительной акустической длиной будет величина М₀, определяемая из (2.21):

При выводе (2.60) предполагалось, что ω_aC_T1 = g₁. Из (2.60) видно, что при М₀ = m - ¹/₈ + 2k²_m/π N₁ равенство ω_k = ω_а будет выполняться только при точном согласовании ω_а = ω_с, причем управляющее сопротивление в этом случае максимально.

Укороченные уравнения рассматриваемого автогенератора в предположении слабого прохождения ПАВ через ЛЗ будут иметь вид, во многом аналогичный (2.34) - уравнениям автогенератора с несогласованной ЛЗ ПАВ. Уравнения для определения амплитуды стационарных колебаний, условия их устойчивости и самовозбуждения также аналогичны (2.35) - (2.37).

Рассмотрим случай, когда T_к - постоянная времени согласующего контура, соизмерима с T - временем задержки ЛЗ ПАВ, а собственная частота линейной резонансной системы автогенератора ω_k равна частоте акустоэлектрического синхронизма. Это можно обеспечить, выбирая относительную акустическую длину ЛЗ ПАВ равной М₀, определяемой из (2.59). Частота контура согласования при этом может отличаться от ω_а. В этом случае укороченные уравнения автогенератора будут иметь вид (2.34) с коэффициентами

где T_к = 2C_T/g+Gˆ - постоянная времени согласующего контура; T'_к = 2C_T/g+Gˆ - τ/3 Gˆ/g+Gˆ постоянная времени согласующего контура с учетом реактивной составляющей проводимости излучения преобразователей, τ = l/V.

Отсутствие в коэффициентах (2.61) величины Г'/Г объясняется предположением о выполнении равенства ω_k = ω_a.

Рассмотрим выражение для T'_к, которое можно записать следующим образом:

При 4k²_mN² > 3, Г'_к < 0 и при точном согласовании ω_с = ω_а имеем: Т₀ = Т + 2T'_к < Т.

При увеличении g значение Т_к уменьшается и при T_к → 0 получаем T₀ → T.

Предположим, что условия обеспечения одночастотной генерации выполняются, т. е. Т = τ, N = M. В этом случае

Из (2.63) для ЛЗ ПАВ, выполненной на HС-срезе кварца с N = M = 100 при g = G (т. е. χ = 1), получаем T₀ = 0,67T.

Параметр неизохронности H отличен от нуля при ω_с ≠ ω_а. Он принимает экстремальные значения при

где знак "+" соответствует максимуму, а "-" минимуму.

Определим условие, при котором в нагрузке автогенератора с согласованной ЛЗ ПАВ (ω_с = ω_а) на частоте ω_а выделяется максимальная мощность. Выражение для определения выходной мощности имеет вид

Из (2.64) видно, что если I = const, то мощность в нагрузке принимает максимальное значение

Мощности, рассеиваемые в АЭ и устройстве на ПАВ, при этом равны:

Очевидно, что КПД автогенератора в этом случае не превышает значения

При I = const мощность автогенератора с согласованным устройством на ПАВ в

раз больше, чем в автогенераторе с несогласованным устройством на ПАВ.

Если при изменении g_H нельзя считать I = const, то максимальная мощность Р_н автогенератора для кубической аппроксимации зависимости выходного тока АЭ достигается при выполнении условия (2.52) где b₁ + B₁ и b₂ + В₂ следует положить равными нулю. Видно, что оптимум мощности опять достигается при 1 < αR < 2. При g_н = const результаты будут аналогичны результатам, полученным для автогенератора с несогласованным устройством на ПАВ.

Зависимости нормированной амплитуды колебаний, мощности в нагрузке от собственной частоты для различных значений αR(ω_а) и двух вариантов согласования выходной проводимости AЭ с ЛЗ ПАВ (g = G и g = ω_aС_Т) для автогенератора с индуктивным согласованием приведены на рис. 2.14 и 2.15 соответственно. Характер изменения величин остается таким же, как и в автогенераторе без индуктивного согласования (см. рис. 2.9, 2.11).

Рис. 2.14. Зависимость нормированной амплитуды колебаний от собственной частоты wk в автогенераторе с симметричной и несимметричной несогласованной ЛЗ ПАВ; ---- g = G; N = 100; ----^.---- g = ω_аС_T; N = 100; --- g₁ = ω_aC_T1; g₂ = G₂; N₁ = 100; N₂ = 10 - согласованный неизбирательный преобразователь

Рис. 2.15. Зависимость нормированной мощности колебаний, отдаваемой АЭ на выходе автогенератора с симметричной и несимметричной согласованной ЛЗ ПАВ от собственной частоты колебаний ω_k; ---- g = G; N = 100; -^.- g = ω_aC_T; N = 100; - - - g₁ = ω_aC_T1; g₂ = G₂; N₁ = 100; N₂ = 10, согласованный неизбирательный преобразователь



НОВОСТИ БИБЛИОТЕКА ССЫЛКИ О САЙТЕ

	Современная терраса: материалы и оборудование 2.6. Автогенератор с согласованной линией задержки на ПАВ Для улучшения ряда характеристик автогенераторов с устройствами на ПАВ применяют согласование (компенсацию) статических емкостей преобразователей. В диапазоне СВЧ индуктивные согласующие элементы могут быть выполнены методами пленочной технологии. Применение цепей согласования имеет преимущества и недостатки. К преимуществам следует отнести уменьшение вносимых потерь и увеличение коэффициента передачи устройства на ПАВ. Это позволяет получить больший уровень выходной мощности и повысить КПД по сравнению с автогенератором с несогласованным устройством на ПАВ. В автогенераторе с согласованием может быть осуществлена очень простая модуляция и подстройка частоты. Это достигается изменением частоты согласующего контура путем подключения к образующемуся контуру варикапа. Однако при согласовании, как правило, ухудшается долговременная стабильность частоты автогенератора за счет влияния нестабильностей элементов цепей согласования. В простейшем случае согласование (компенсация) достигается последовательным (при малой активной составляющей входного или выходного сопротивления АЭ) или параллельным (при большой активной составляющей входного или выходного сопротивления АЭ) подключением ко входу преобразователей внешних индуктивных элементов. Образующийся при этом контур (параллельный или последовательный) должен иметь собственную частоту резонанса, близкую к частоте акустоэлектрического синхронизма. Рассмотрим автогенератор с симметричной ЛЗ ПАВ при параллельном согласовании статических емкостей преобразователей. Для простоты считаем, что g₁ = g₂ = g, ωC_T - (1/ωL) ≈ 2С_Т(ω - ω_с) ∼ g, где ω_с = 1/√LС^Т - резонансная частота контура согласования. Хотя при согласовании статических емкостей преобразователей уровень трехзаходового сигнала увеличивается, для простоты анализа будем считать (как и ранее), что условие слабого прохождения ПАВ через ЛЗ реализуется. Собственные частоты линейной резонансной системы автогенератора могут быть определены из (2.21), где Выражение для определения управляющего сопротивления автогенератора R имеет вид Видно, что управляющее сопротивление R принимает максимальное значение при точной компенсации Кроме того, требуется также выполнение условия G_a = g, Если ω_k = ω_а, то для рассматриваемого автогенератора получаем R_макс = γ/2g. Графическое решение уравнения баланса фаз (2.21) для различных значений Т и ω_с = ω_а в случае симметричной согласованной ЛЗ ПАВ, выполненной на HС-срезе кварца при N = 100, приводится на рис. 2.13, a (g = G). Ha рис. 2.13, б приводится зависимость управляющего сопротивления R от собственной частоты ω_k. Как и ранее, для одномодовой генерации желательно обеспечить задержку Т, близкую к τ. Видно, что при согласовании возрастает влияние реактивных составляющих проводимостей излучения преобразователей на фазовую характеристику ЛЗ ПАВ. Например, для выбранного пьезоэлектрика (НС-срез кварца) и при количестве пар штырей в преобразователе, равном 100, получаем, что влияние реактивной составляющей проводимости излучения приводит к тому, что зависимость сдвига фазы от частоты на входе (выходе) линейной резонансной системы переходит через нулевое значение трижды - на частоте ω_а и в двух соседних боковых лепестках частотной характеристики ЛЗ ПАВ. Из рис. 2.13, а видно, что для обеспечения одномодовой генерации относительная акустическая длина ЛЗ ПАВ при ω_k = ω_a должна быть равна М₀ = m, (2.58) где m - натуральное число. Рис. 2.13. Графическое решение уравнения баланса фаз (а) и зависимость управляющего сопротивления от собственной частоты ω_k (б) для автогенератора с несимметричной согласованной ЛЗ ПАВ (HС-срез кварца) для φ = 0, N = 100, g = G; ---- М - натуральное число; - - - М = ¹/₂(2m - 1) (m - натуральное число) Если частота согласования ω_с отличается от ω_а, то оптимальная относительная акустическая длина ЛЗ ПАВ М₀ в предположении выполнения условия 4k²_mN_i(1 + χ_i) << π; χ_i = g_i/G_i будет определяться из выражения Величина m в (2.58) и (2.59) - ближайшее целое число к требуемой эффективной добротности линейной резонансной системы автогенератора, равное числу пар электродов в избирательном ВШП. Из (2.59) видно, что если акустическая длина ЛЗ ПАВ равна целому числу длин волн mλ, то обеспечить равенство ω_k = ω_а можно как при точной настройке двух контуров ω_c1 = ω_c2 = ω_a, так и при расстройке контуров согласования в разные стороны от частоты ω_а, т. е. при выполнении равенства Причем во втором случае управляющее сопротивление меньше, чем в первом. Для повышения выходного сопротивления линейной резонансной системы автогенератора, а также для фильтрации выходного сигнала может применяться согласование лишь одного выходного преобразователя. В этом случае оптимальной относительной акустической длиной будет величина М₀, определяемая из (2.21): При выводе (2.60) предполагалось, что ω_aC_T1 = g₁. Из (2.60) видно, что при М₀ = m - ¹/₈ + 2k²_m/π N₁ равенство ω_k = ω_а будет выполняться только при точном согласовании ω_а = ω_с, причем управляющее сопротивление в этом случае максимально. Укороченные уравнения рассматриваемого автогенератора в предположении слабого прохождения ПАВ через ЛЗ будут иметь вид, во многом аналогичный (2.34) - уравнениям автогенератора с несогласованной ЛЗ ПАВ. Уравнения для определения амплитуды стационарных колебаний, условия их устойчивости и самовозбуждения также аналогичны (2.35) - (2.37). Рассмотрим случай, когда T_к - постоянная времени согласующего контура, соизмерима с T - временем задержки ЛЗ ПАВ, а собственная частота линейной резонансной системы автогенератора ω_k равна частоте акустоэлектрического синхронизма. Это можно обеспечить, выбирая относительную акустическую длину ЛЗ ПАВ равной М₀, определяемой из (2.59). Частота контура согласования при этом может отличаться от ω_а. В этом случае укороченные уравнения автогенератора будут иметь вид (2.34) с коэффициентами где T_к = 2C_T/g+Gˆ - постоянная времени согласующего контура; T'_к = 2C_T/g+Gˆ - τ/3 Gˆ/g+Gˆ постоянная времени согласующего контура с учетом реактивной составляющей проводимости излучения преобразователей, τ = l/V. Отсутствие в коэффициентах (2.61) величины Г'/Г объясняется предположением о выполнении равенства ω_k = ω_a. Рассмотрим выражение для T'_к, которое можно записать следующим образом: При 4k²_mN² > 3, Г'_к < 0 и при точном согласовании ω_с = ω_а имеем: Т₀ = Т + 2T'_к < Т. При увеличении g значение Т_к уменьшается и при T_к → 0 получаем T₀ → T. Предположим, что условия обеспечения одночастотной генерации выполняются, т. е. Т = τ, N = M. В этом случае где χ = g/G - параметр согласования. Тогда Из (2.63) для ЛЗ ПАВ, выполненной на HС-срезе кварца с N = M = 100 при g = G (т. е. χ = 1), получаем T₀ = 0,67T. Параметр неизохронности H отличен от нуля при ω_с ≠ ω_а. Он принимает экстремальные значения при где знак "+" соответствует максимуму, а "-" минимуму. Определим условие, при котором в нагрузке автогенератора с согласованной ЛЗ ПАВ (ω_с = ω_а) на частоте ω_а выделяется максимальная мощность. Выражение для определения выходной мощности имеет вид Из (2.64) видно, что если I = const, то мощность в нагрузке принимает максимальное значение P_н.макс = I²/8(g'₂ + Gˆ₂) при g_н = g'₂ - Gˆ₂ = \|Y_22x\|. Мощности, рассеиваемые в АЭ и устройстве на ПАВ, при этом равны: Очевидно, что КПД автогенератора в этом случае не превышает значения При I = const мощность автогенератора с согласованным устройством на ПАВ в раз больше, чем в автогенераторе с несогласованным устройством на ПАВ. Если при изменении g_H нельзя считать I = const, то максимальная мощность Р_н автогенератора для кубической аппроксимации зависимости выходного тока АЭ достигается при выполнении условия (2.52) где b₁ + B₁ и b₂ + В₂ следует положить равными нулю. Видно, что оптимум мощности опять достигается при 1 < αR < 2. При g_н = const результаты будут аналогичны результатам, полученным для автогенератора с несогласованным устройством на ПАВ. Зависимости нормированной амплитуды колебаний, мощности в нагрузке от собственной частоты для различных значений αR(ω_а) и двух вариантов согласования выходной проводимости AЭ с ЛЗ ПАВ (g = G и g = ω_aС_Т) для автогенератора с индуктивным согласованием приведены на рис. 2.14 и 2.15 соответственно. Характер изменения величин остается таким же, как и в автогенераторе без индуктивного согласования (см. рис. 2.9, 2.11). Рис. 2.14. Зависимость нормированной амплитуды колебаний от собственной частоты wk в автогенераторе с симметричной и несимметричной несогласованной ЛЗ ПАВ; ---- g = G; N = 100; ----^.---- g = ω_аС_T; N = 100; --- g₁ = ω_aC_T1; g₂ = G₂; N₁ = 100; N₂ = 10 - согласованный неизбирательный преобразователь Рис. 2.15. Зависимость нормированной мощности колебаний, отдаваемой АЭ на выходе автогенератора с симметричной и несимметричной согласованной ЛЗ ПАВ от собственной частоты колебаний ω_k; ---- g = G; N = 100; -^.- g = ω_aC_T; N = 100; - - - g₁ = ω_aC_T1; g₂ = G₂; N₁ = 100; N₂ = 10, согласованный неизбирательный преобразователь

	© RATELI.RU, 2010-2020 При использовании материалов сайта активной гиперссылки обязательна: http://rateli.ru/ 'Радиотехника'