4.2. Одночастотные автогенераторы на ЛЗ ПАВ и двухвходовых резонаторах ПАВ

Если не учитывать, что потери и входные (выходные) емкости ЛЗ ПАВ больше, чем у двухвходовых резонаторов, то принципы построения схем генераторов на этих приборах во многом аналогичны. Для конкретности рассмотрим схему автогенератора на ЛЗ ПАВ (рис. 4.2). Полностью аналогична ей схема автогенератора на двухвходовом резонаторе ПАВ.

Рис. 4.2. Структурная схема автогенератора с ЛЗ ПАВ: 1 - согласующий четырехполюсник, 2 - усилитель, 3 - ЛЗ ПАВ или резонатор ПАВ, 4 - частотно-избирательный четырехполюсник, 5 - согласующий четырехполюсник

С точки зрения построения автогенераторов резонаторы ПАВ имеют следующие преимущества по сравнению с ЛЗ ПАВ:

меньшие вносимые потери (до 1-5 дБ) и габариты;

меньшую чувствительность к технологическим дефектам.

Кроме того, резонаторы ПАВ имеют меньшие статические емкости преобразователей, а также, поскольку избирательные свойства резонаторов не связаны с топологией ВШП, проще выполняется согласование входных проводимостей AЭ и резонаторов ПАВ. Однако следует учитывать, что стабилизирующая способность резонаторов существенно падает при расстройке относительно резонансной частоты.

Для генерации колебаний необходим лишь усилитель и устройство на ПАВ. Остальные элементы, изображенные на рис. 4.2, только расширяют функциональные возможности автогенератора.

Наиболее часто автогенераторы на ПАВ используются в качестве задающих генераторов. Для таких генераторов недопустимы скачки частоты или многочастотные режимы. Поэтому для автогенераторов на ПАВ, работающих в качестве задающих, необходима модовая селекция. В гл. 2 было показано, как осуществляется модовая селекция за счет использования избирательных свойств самой ЛЗ ПАВ. Естественно, модовая селекция в автогенераторе с широкополосной ЛЗ ПАВ может быть обеспечена и традиционным путем, т. е. при помощи внешних по отношению к ЛЗ избирательных цепей, например, включением в кольцо обратной связи дополнительного избирательного фильтра 4 на рис. 4.2 или применением узкополосного согласования [130]. Принцип такой селекции понятен из рис. 4.3.

Рис. 4.3. Селекция мод внешним избирательным фильтром или узкополосным согласованием: 1 - АЧХ дополнительного фильтра, 2 - АЧХ ЛЗ ПАВ, 3 - собственные частоты

Схемы автогенераторов с модовой селекцией внешним дополнительным фильтром и узкополосным согласованием приводятся на рис. 4.4 и 4.5 соответственно. Очевидно, что основной недостаток такого способа модовой селекции заключается в том, что здесь частота колебаний во многом определяется элементами внешних избирательных цепей, которые являются относительно нестабильными. Кроме того, использование такого рода фильтрах индуктивных элементов затрудняет микроинтегральное исполнение генераторов, увеличивает их габариты и массу. Поэтому модовая селекция в автогенераторах на ПАВ в настоящее время реализуется путем формирования требуемых избирательных свойств самих устройств на ПАВ.

Рис. 4.4. Схема автогенератора на ЛЗ ПАВ с внешним дополнительным фильтром

Рис. 4.5. Схема автогенератора на ЛЗ ПАВ с узкополосным согласованием

Как следует из проведенного выше анализа, одночастотный режим автогенератора с устройством на ПАВ может быть осуществлен, если полоса пропускания ЛЗ ПАВ по нулям частотного отклика, равная

будет равняться разности между частотами колебаний соседних мод автогенератора Δf_m,n = (1/T) = (V/L). Для симметричной ЛЗ ПАВ равенство l = L означает, что конец входного преобразователя является началом выходного преобразователя. В результате значительно возрастает прямое прохождение сигнала со входа на выход ЛЗ, особенно на высоких частотах. Прямое прохождение ухудшает характеристики генератора и поэтому нежелательно. Указанный недостаток в меньшей степени присущ несимметричной ЛЗ ПАВ. Медовая селекция достигается здесь выбором длины избирательного преобразователя l₁, которая делается равной акустической длине линии задержки L (см. § 2.2, рис. 2.1) [1, 2].

Как отмечалось выше, для повышения стабильности частоты требуется увеличивать акустическую длину линии задержки, что, исходя из требований модовой селекции, приводит к необходимости увеличивать также и длину самих преобразователей, наращивая в них количество пар штырей. При этом увеличивается влияние акустических волн, отраженных от границ штырей. При более 100 пар штырей в преобразователе отражения становятся значительными и существенно ухудшают характеристики ЛЗ ПАВ, а следовательно, и генератора, который строится на ее основе. Для устранения влияния отраженных волн, применяются преобразователи с расщепленными штырями, однако для этого требуется более высокая разрешающая способность фотолитографического оборудования, [2].

Увеличить акустическую длину избирательного преобразователя, например, до 10⁴ λ, не увеличивая (Количество пар (электродов в преобразователях, а значит и получить более высокую стабильность частоты можно, применяя сложную структуру преобразователя (рис. 4.6), состоящую из нескольких ветвей [1, 2, 14]. Частотная характеристика такого преобразователя зависит как от расстояния между центрами соседних ветвей [это расстояние l_b определяет период повторения основных максимумов частотной характеристики преобразователя Δf_повт = 1/τ_b = (V/l_b)], так и от полной акустической длины сложного преобразователя l1 = N_bl_b. Как и для эквидистантного преобразователя, именно акустическая длина преобразователя определяет полосу его пропускания по нулям главного лепестка частотной характеристики Δf = (1/N_bτ_b) = (V/N_bl_b).

Рис. 4.6. Схема автогенератора на ЛЗ ПАВ с преобразователем многоветвевой структуры (а) и его АЧХ (б): 1 - входной преобразователь, 2 - выходной преобразователь многоветвевой структуры, 3 - АЧХ входного преобразователя, 4 - АЧХ выходного преобразователя, 5 - собственные частоты автогенератора

При обеспечении равенства акустической длины L ЛЗ ПАВ акустической длине преобразователя N_bl_b, на нули частотного отклика многоветвевого преобразователя могут приходиться почти все моды колебаний, соседние с основной. Однако имеются также и моды, частоты которых совпадают с другими основными максимумами частотной характеристики преобразователя. Обеспечить их подавление позволяет соответствующий выбор длины неизбирательного эквидистантного преобразователя. Нули его частотной характеристики располагаются через

где l₀ - длина эквидистантного преобразователя. Поэтому, выбирая l₀ = l_b, получим подавление оставшихся мод генератора, кроме основной. Достоинствами автогенераторов на таких ЛЗ ПАВ являются:

возможность обеспечения высокой добротности колебательной системы, а значит и высокой стабильности частоты генератора, при количестве пар штырей, не превышающем 100;

высокая воспроизводимость частоты колебаний автогенератора;

меньшая скорость старения ЛЗ ПАВ, а следовательно, и высокая долговременная стабильность частоты генераторов.

Последние два обстоятельства объясняются тем, что распространение ПАВ здесь происходит в основном по неметаллизированному кварцу.

Модовая селекция может быть осуществлена методом конкуренции мод [17]. Метод заключается в том, что в автогенераторе создаются два разных по акустической длине канала обратной связи. Задержка сигнала в одном канале T₁, а в другом - Т₂. В результате в автоколебательной системе возникают две сдвинутые относительно друг друга сетки собственных частот. В одной сетке собственные частоты отстоят на расстоянии Δf₁ ≈ 1/T₁, а в другой на Δf₂ ≈ 1/T₂. Экспериментальные исследования показывают, что устойчивые колебания в автогенераторе при ограниченном запасе по самовозбуждению возникают только на той частоте, на которой собственные частоты разных сеток совпадают. Для этой частоты получается наибольший результирующий коэффициент обратной связи. Преобразователи при этом могут быть достаточно широкополосными. Реализовать два акустических канала обратной связи можно, используя две линии задержки или применяя ЛЗ ПАВ, у которой имеется один входной преобразователь и два выходных, расположенных по разные стороны от входного. В последнем случае устраняются потери, связанные с двунаправленностью излучения входного преобразователя (рис. 4.7). Достоинствами такого метода селекции является то, что распространение ПАВ при использовании широкополосных преобразователей происходит в основном по неметаллизированному кварцу, что, как и в предыдущем случае, приводит к большей воспроизводимости частоты колебаний автогенератора и меньшей скорости старения ЛЗ ПАВ.

Рис. 4.7. Схема автогенератора с с модовой селекцией на основе конкуренции мод

Обеспечить модовую селекцию колебаний можно, применяя взаимную синхронизацию двух генераторов с широкополосными ЛЗ ПАВ [18]. Такой подход может привести к расширению допустимой полосы частотной модуляции. Он позволяет эффективно складывать мощности отдельных автогенераторов, уменьшить шумы и повысить стабильность частоты системы [79, 95].