6.4. Система генераторов гармоник

В § 6.3 уже косвенно рассматривались колебания, которые представляют собой сетки опорных частот: для обоих типов многодекадных синтезаторов требуется по три, а для цифровых синтезаторов - по две сетки опорных частот (в последнем случае одна сетка вырожденная, имеющая только две частоты). Специфику формирования опорных частот в пассивном устройстве с бинарным синтезатором мы уже отмечали. Поэтому рассмотрим наиболее общий случай, когда требуется сформировать три сетки опорных частот, на примере МОЧ для многодекадного синтезатора СВЧ рис. 2.7а.

Применительно к этому случаю система генераторов гармоник состоит из трех генераторов гармоник, которыми должны генерироваться три спектра опорных частот: f'_q с шагом дискретности β₁, f"_q с шагом дискретности β₂ и f'''_q с шагом дискретности β₃. Число частот в каждом из спектров f'_q и f"_q, очевидно, равно десяти, а в спектре f'''_q зависит от ширины диапазона П₀ = f_{0 макс} - f_{0 мин}. Неравномерность амплитуд составляющих спектра должна быть минимальной, что достигается относительно несложно, если генератор гармоник работает на высоких номерах гармоник.

Наиболее широко известны три типа генераторов гармоник СВЧ: с использованием в качестве нелинейного элемента диода с нелинейным сопротивлением (NR-диода), диода с нелинейной емкостью (NC-диода или варактора) и диода с накоплением заряда (ДНЗ). Опытным путем установлено, что варакторный генератор гармоник обеспечивает на гармониках при m ≈ 50÷60 примерно на 10 дБ более высокую мощность по сравнению с генератором гармоник на NR-диоде. На столько же большую мощность обеспечивает ДНЗ по сравнению с варактором. В [180] показывается, что с выхода генератора гармоник на ДНЗ при m ≈ 25÷50 можно получить в дециметровом диапазоне мощность порядка 10^-5 Вт.

Заметим, что варакторный генератор гармоник обладает рядом отрицательных свойств, основные из которых: склонность к релаксационной паразитной генерации; возможность параметрического деления частоты, что ведет к созданию дополнительных побочных составляющих; уменьшение коэффициента гармоничности выходных колебаний за счет параметрического усиления.

Последнее качество такого генератора гармоник еще совершенно не изучено, но принципиально возможно, так как мощные колебания частоты β₃ (или β₂) являются колебаниями накачки, а слабые побочные составляющие вида ±nf_q0 - усиливаемыми сигналами. С другой стороны, генераторы гармоник на NR-диоде и ДНЗ не обладают перечисленными недостатками.

В литературе как отечественной, так и зарубежной, очень часто генераторами гармоник называют УЧ, использующие не ряд выходных частот, а лишь одну определенную.

Терминологическая неясность в данном случае может привести к существенной физической ошибке. Покажем это на примере NR и NC-диодов. Действительно, как доказывается в [181], идеальный умножитель частоты на NR-диоде не может иметь коэффициент передачи большим, чем 1/m² (m - коэффициент умножения частоты). В [182] впервые показано, что если NC-диод не имеет потерь и при умножении частоты вся подводимая мощность расходуется только на формирование колебаний заданного номера гармоники, то коэффициент передачи такого УЧ равен единице. Для выполнения последнего требования на выход УЧ включаются "холостые контуры", которые возвращают мощности неиспользуемых гармоник на вход УЧ, дабы эти мощности снова расходовались на формирование колебаний используемой гармоники. При этом на практике при малых m коэффициент передачи УЧ на NC-диоде может доходить до 0,7÷0,8. Такой же порядок величин коэффициентов передачи при малых значениях коэффициентов умножения имеют УЧ на ДНЗ, которые включения "холостых контуров" не требуют [183], [184].

Если же требуется создать не УЧ, а генератор гармоник, в понимаемом нами прямом смысле этого термина - одновременном получении на выходе устройства ряда гармоник умножаемой частоты, - то коэффициенты передачи как генераторов гармоник на NR-диоде и ДНЗ, так и особенно на NC-диоде, весьма далеки от теоретических пределов.

Заметим, что теория генераторов гармоник и отчасти методы их проектирования до настоящего времени практически не изучены и представляют собой самостоятельную сложную задачу, решение которой, естественно, выходит за рамки настоящей книги. Однако, исходя из практики, сделаем попытку высказать ряд соображений, позволяющих учесть особенности использования указанных выше типов генераторов гармоник в системах ДКСЧ СВЧ диапазона.

Хотя генераторы гармоник на варакторах и имеют повышенную мощность в сравнении с устройствами на NR-диодах, но неустойчивость их работы свидетельствует о нежелательности использования NVC-диодов. С другой стороны, NR-диоды не имеют никаких преимуществ перед ДНЗ, но при использовании в генераторах гармоник генерируют мощность на 15÷25 дБ ниже, чем последние. Поэтому и их применение следует признать нецелесообразным.

При резком закрывании ДНЗ ток через последний имеет форму острого пика, спектральное разложение которого богато гармониками высоких номеров с достаточно большими амплитудами. Это качество особенно полезно в генераторах гармоник СВЧ диапазона, рабочий участок которых как раз характеризуется высокими номерами гармоник (порядка нескольких десятков). С другой стороны, если не пытаться получить максимально возможный коэффициент передачи, то в спектре генератора гармоник на ДНЗ практически отсутствуют составляющие паразитной релаксации.

Экспериментально установлено, что коэффициент передачи генератора высоких номеров гармоник на ДНЗ при гарантированной устойчивости его работы может быть определен приблизительно, как

Таким образом, следует считать целесообразным проектирование генераторов гармоник СВЧ диапазона для систем ДКСЧ на базе диодов с накоплением заряда.