Содержание к диссертации
Введение
1. Энергетика многоэлементных автогенераторов 37
1.1. Энергетика однорезонаторньк АССМ в одночастотном стационарном режиме
1.2. Об энергетике системы двух резистивно связанных автогенераторов
1.3. Энергетика ансамблей взаимосинхронизированных автогенераторов
1.4. Влияние инерционности активных элементов на энергетику многоэлементных автогенераторов
1.5. Сопоставление экспериментальных результатов с теоретическими исследованиями г
2. Управление колебаниями в ансамблях взаимосинхрони зированных автогенераторов
2.1. Управление частотой АВСА за счет частотной модуляции его отдельных автогенераторов 2.2. Управление частотой колебаний ансамбля автогенераторов внешним резонатором
2.3. Линейная динамическая теория управления частотой АВСА с помощью внешнего резонатора
2.4. Экспериментальные исследования свойств системы ансамбль - внешний резонатор
3. Автоподстройка частоты и фазы в ансамблях взаим0 синхронизированных автогенераторов
3.1. Система частотной автоподстройки частоты в АВСА І55
3.2. Система фазовой автоподстройки частоты в АВСА .161
3.3. Внешняя синхронизация АВСА, стабилизированного внешним добротным резонатором
3.4. Автоподстройка фазы (АПФ) синхронизированного АВСА
3.5. Выводы 198
Заключение 201
Литература 204
Приложение
- Об энергетике системы двух резистивно связанных автогенераторов
- Управление частотой колебаний ансамбля автогенераторов внешним резонатором
- Система фазовой автоподстройки частоты в АВСА
- Автоподстройка фазы (АПФ) синхронизированного АВСА
Введение к работе
0.1. Общие вопросы
Усложнение радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), ее многофункциональность, уменьшающиеся с каждым годом объемы, отводимые под рАзмещение ее узлов, жесткие условия эксплуатации и внешней среды и т.д. - весь этот комплекс требований может быть выполнен только с помощью полупроводниковой электроники при постоянном увеличении плотности размещения функциональных узлов в единице объема. Повышение функциональной сложности РЭА сопровождается также увеличением быстродействия и увеличением рабочих частот. Перемещение рабочих частот сверхвысокочастотной РЭА (СВЧ РЭА) в диапазон сантиметровых и миллиметровых длин волн вызвано: перегруженностью используемых участков электромагнитного спектра, необходимостью осуществления узконаправленной связи или полностью скрытой радиосвязи; возможностью создания помехоустойчивых систем с большой разрешающей способностью; возможностью формирования более узкого луча и получения большей разрешающей способности системы малого размера и массы и т.д.
Таким образом, полупроводниковая техника в РЭА в ближайшие годы будет играть все более значительную роль.
В настоящее время в области РЭА большое значение приобретают вопросы повышения уровня мощности полупроводниковых СВЧ устройств, а также вопросы конструирования широкополосных и высокостабильных по частоте генераторов для замены некоторых классов маломощных и среднемощных электровакуумных приборов, в частности ЛОВ типа О, ЛЕВ. Вполне естественно, что полупроводниковые генераторы благодаря небольшим габаритам, массе, простоте источников питания, высокому К.П.Д., долговечности и низкой стоимости при массовом производстве постепенно вытесняют маломощные электровакуумные устройства. Эта тенденция сохранится и в ближайшие годы. Дальнейшее расширение областей применения возможно при условии повышения уровня средних мощностей СШ полупроводниковых устройств еще на 1-2 порядка, т.е. речь идет о необходимости поднять уровень мощности СВЧ устройств до значений 500 - 5000 Вт на частоте J = I ГГц I - 10 Вт на частоте і = 100 ГГц
В длинноволновой части СВЧ диапазона (0,3 - 3 ГГц) эта задача успешно решается сложением мощностей генераторных и усилительных модулей на биполярных транзисторах. В сантиметровом диапазоне к решению этой задачи современная радиоэлектронная промышленность только приступает.
По оценкам зарубежных специалистов ГЛ , современные электронные СВЧ системы требуют в сантиметровом диапазоне следующие уровни мощности ( в непрерывном режиме):
10 - 50 Вт - маяки-приемоответчики ; 30 - 100 Вт - системы связи ;
50 - 150 Вт - малые когерентные бортовые радиолокационные станции.
Современные дискретные полупроводниковые СВЧ приборы в сантимет ровом диапазоне в настоящее время могут обеспечить мощности в непрерывном режиме в 5-30 раз меньше по сравнению с указанными. Уменьшение мощности полупроводниковых устройств с ростом частоты обусловлено объективным противоречием между геометрическими размерами, определяющими допустимую мощность рассеяния, и величиной реактивной проводимости структуры.
Основные способы повышения уровней мощности СВЧ устройств можно условно разделить на следущие основные группы:
1) улучшение параметров активного элемента;
2) сложение мощностей нескольких активных элементов;
3) совершенствование режимов работы СВЧ устройств. Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию
многоэлементных автогенераторов, использующих принцип сложения мощностей многих активных элементов в общей нагрузке.
Существуют самые различные конструкционные приемы сложения мощностей отдельных активных элементов (лавинно-пролетных диодов (ЛПД), диодов Ганна (ДТ), транзисторов и т.д.) [2], которые можно систематизировать по уровням сложности устройств, а именно:
- интеграция на 1-ом уровне - на уровне кристалла, осуществляемая сложением мощностей отдельных диодных структур, расположенных на поверхности или в объеме единого кристалла, т.е. интеграция с помощью матрицы диодных структур [2-ІІ1 ;
- интеграция на 2-ом уровне - на уровне тешюотвода, корпуса (дискретного прибора) - сложение мощностей отдельных кристаллов (с собственными теплоотводами или без них), расположенных на поверхности или в объеме общего тешюотвода [2,12-14];
- интеграция на 3-ем уровне - на уровне резонатора или системы резонаторов - сложение мощностей отдельных дискретных приборов (корпусных или бескорпусных), расположенных в объеме общего резонатора, либо расположенных в системе связанных резонаторов, т.е. интеграция с помощью общего резонатора, системы резонаторов, модуля Гі, 2,15-24І;
- интеграция на 4-ом уровне - на уровне системы, содержащей совокупность одинаковых модулей или решетку модулей (например, фаэированная антенная решетка (ФАР) или многокаскадный усилитель с использованием делителей, сумматоров и большого числа одинаковых усилительных модулей) [2І ;
- возможна интеграция на 5-ом уровне - на уровне системы решеток ( например, пространственная решетка активных адаптивных ФАР, автоматически сосредотачивающая сигнал суммарной мощности на одном или нескольких объектах).
В предлагаемой работе исследуются системы, соответствующие 3-ему и 4-ому уровням интеграции, модули которых - автогенераторы ( 3-ий уровень интеграции), работающие в режиме взаимной синхронизации, объединены в ансамбли ( 4-ый уровень интеграции). Ансамбли взаимосинхронизированных автогенераторов (АВСА) могут найти широкое применение при создании твердотельных радиопередающих устройств ( т/т РПДУ) СВЧ диапазона, например, в качестве автоколебательной системы сложения мощностей (АССМ) активных модулей на выходе РПДУ, возбудителя и т.д. В настоящее время работы по т/т РПДУ развиваются по двум направлениям. Первое направление -это создание ФАР, в которых сложение мощностей отдельных модулей происходит в пространстве, и одновременно с этим за счет управления фазой их колебаний осуществляется электронное сканирование диаграммы направленности. Блок-схема соответствующего т/т РПДУ представлена на рис. 0.1.
Использование АССМ в отечественных, прецизионных радиоустройствах в последнее время стало наталкиваться на ряд трудностей, связанных с возросшими требованиями к стабильности частоты и фазы генерируемых ими колебаний, к точности слежения за частотой и фазой внешнего сигнала, к диапазону частотной перестройки и т.д. Вместе с тем известно, что на базе автоколебательных модулей может быть создан обширный класс систем с различным целевым и функциональным назначением, а это позволяет рассматривать их, как универсальные базовые "строительные" элементы больших и сложных радиосистем. Так, например, внешняя синхронизация автоколебательных модулей позволяет значительно повысить долговременную и кратковременную стабильность частоты; взаимная синхронизация нескольких модулей дает возможность увеличить выходную мощность источников колебаний в общей нагрузке или в пространстве; явление синхронизации может использоваться для умножения и деления частоты, усиления, ограничения и детектирования сигналов с угловой модуляцией; использование систем автоподстройки частоты и фазы автоколебательных модулей позволяет строить на их основе узкополосные перестраиваемые фильтры, системы формирования сложных сигналов и их усиления, синтезаторы частот, системы управления и стабилизации частоты (фазы) колебаний, системы оптимальной фильтрации .сигналов на фоне адаптивных шумовых помех. Очень широко распространен метод стабилизации частоты генерации и уменьшения ЧМ-щума автоколебательных систем с помощью внешнего добротного резонатора.
Решение перечисленных выше задач и проблем применительно к АБСА является перспективным научным и техническим направлением современной твердотельной электроники. Решение этих проблем будет во многом способствовать более широкому внедрению твердотельных модульных еистем в радиоинженерную практику и еще более успешной конкуренции этих систем с их вакуумными аналогами.
0.2. Обзор конкретных конструкций и схем
Исследуемые в данной работе многоэлементные автогенераторы охватывают широкий класс АССМ как на основе однорезонаторных модулей с одним или несколькими активными элементами, так и на основе ансамблей взаимосинхронизированных однорезонаторных модулей.
В настоящее время известно большое количество схем и конструкций АССМ, многие из которых с успехом используются на практике. Применение полупроводниковых приборов привело к заметному их упрощению. Из анализа наиболее распространенных схем и конструкций однорезонаторных АССМ, соответствующих 3-ему уровню интеграции, следует, что системы такого типа имеют общий принцип построения. Он заключается в том, что твердотельные низкоомные полупроводниковые структуры включаются симметрично в области максимума СВЧ токов резонатора в точки с одинаковым СВЧ потенциалом. Это обеспечивает эффективную работу активных элементов как источников СВЧ тока и равномерное распределение между ними электрической нагрузки. Типичные схемы с непосредственным включением диодов в резонатор показаны на рис.0.3 и на рис. 0.4 [22,27-30].
Как правило, в рассмотренных выше традиционных системах многоэлементное исполнение приводит либо к увеличению массы и габаритов, либо к ухудшению теплоотвода системы.
Следующий уровень интеграции - ансамбли взаимосинхронизиро-ванных однорезонаторных АССМ. Наиболее показательными по принципу построения являются многорезонаторные системы сложения мощностей [3I,32j, показанные на рис. 0.5. В этих системах обеспечивается электродинамическая связь между резонаторами и общий вывод энергии, осуществляемый через специальную схему связи с нагрузкой, либо из одного внешнего резонатора, не содержащего диодов (аналогично тому, как это сделано в вакуумном коаксиальном магнетроне). Возможна и система, использующая в чистом виде магнетронний резонаторний блок [32І , как показано на рис.0.56.
Недостатки, ограничивающие применение этого метода, заключаются в увеличении габаритов и усложнении конструкции . т/т ИЩУ большой и средней мощности. Это обусловлено применением сравнительно маломощных активных модулей и собственными потерями пассивных соединений ( "0,5 дБ на одно соединение).
Комбинируя методы сложения мощностей ."активный (с помощью АССМ на основе многоэлементных автогенераторов) и пассивный (на основе пассивных соединений), можно добиться существенного прогресса в деле создания мощных СВЧ т/т радиосистем, что и подтверждает современная радиоинженерная практика f48-53/. Так, например, на рис. 0.8 изображена блок-схема твердотельного генераторного модуля с фазовой синхронизацией, работающего на излучатель антенной решетки с электрическим качанием луча [54І. Генераторный модуль представляет собой комбинированную систему сложения мощности синхронизированных однорезонаторных многоэлементных автогенераторов 1,2,...,/1 с помощью циркуляторов (Ц).
Следует выделить три основные схемы подключения стабилизи- ующего резонатора (СР) (см.рис.0.10). Генератор с отража ющим юзонатором (рис.0.10а) обеспечивает высокие коэффициенты стабили-іации при сравнительно малых потерях мощности; схема с проходным юзонатором (рис.0.106) реализует максимальный коэффициент стаби-[изации, но при повышенных потерях мощности; основное преимущество •енератора с полосно-отражающим резонатором (рис.ОЛОв) - одночас-•отный режим работы [б8,69] .
Благодаря успехам физики твердого тела и прогрессу технологии изготовления ряда твердых материалов (ферриты, диэлектрики, пьезоматериалы и т.д.) появилась новая разновидность резонаторов СВЧ - твердотельные. Применение твердотельных резонаторов, имеющих исключительно малые размеры, позволяет внести существенный вклад в решение проблемы миниатюризации устройств СВЧ. Особое место занимают твердотельные резонаторы, параметры которых во время работы можно регулировать: ферритовые резонаторы, у которых резонансная частота определяется напряженностью поля подмагничи-вания; диэлектрические резонаторы, у которых резонансная частота определяется напряжением смещения на кристалле; резонаторы на АПВ, у которых один из отражателей является управляемым фазовращателем.
Очевидно, что эффективное практическое использование рассмотренных выше конструкций и схем, а также создание новых с улучшенными характеристиками во многом определяется уровнем развития теории многоэлементных автогенераторов.
0.3. Анализ методов и результатов исследования многоэлементных автогенераторов
Эффективное практическое использование многоэлементных автогенераторов, прежде всего, в качестве автоколебательных систем сложения мощностей (АССМ) [lI,20,28,29,35,40,4I,72-90] в целом ряде радиотехнических устройств СВЧ диапазона вызвало необходимость более детального их исследования. Исследование многоэлементных автоколебательных структур имеет еще и самостоятельный научный интерес, поскольку процессы, происходящие в них, актуальны для ряда смежных наук ( машиностроение, биохимия, квантовая электроника и т.д.) [9I,92j .
Особенность анализа многоэлементных автогенераторов обусловлена наличием в автоколебательной системе более одного активного элемента вплоть до бесконечности ( в случае распределенных автогенераторов). Подобным системам в литературе посвящено много работ J40,78,86,93-156] , большинство которых содержат анализ отдельных типов конструкций и схем, используют сильно отличающиеся друг от друга и достаточно сложные сами по себе методы. Так, например, Курокава анализировал предложенную конструкцию многодиодного генератора і5,3б] методами электродинамики, применив аппарат собственных функций J40,86J . Этот подход оправдал себя при анализе очень простых конструкций и простейших режимов работы, но и в этом случае он очень громоздок, что снижает его эффективность. Анализ же взаимодействия нескольких типов колебаний, относящихся к разным резонансным частотам основного резонатора, или исследование полной эквивалентной схемы АССМ [8б] теория Іфрокавн в обозримой форме провести не позволяет.
Теория Постникова Л.В. Г93,94І позволяет исследовать автоколебательные системы с произвольным числом степеней свободы, содержащих конечное число активных нелинейных элементов, используя принципы и методы решения соответствующих задач с одним активным элементом.
В предложении, что собственные частоты резонансной системы разнесены далеко друг от друга, сформулированы условия, при которых в системе возможны колебания, представляющие суперпозицию квазигармонических составляющих. Суть теории заключается в том, что исходная система представляется как совокупность "нормальных" [93J подсистем, взаимодействующих друг с другом через нелинейность, а для каждой из подсистем записывается комплексное укороченное уравнение. Модификация такого метода "укорочения" дифференциальных уравнений по методу медленно меняющихся амплитуд (ММА) изложена также в работах Конторовича М.И. Гі57,І58І . Система укороченных уравнений по теории Постникова Л.В. получается относительно просто, однако ряд предположений теории не имеет четкого физического смысла, а абстрактно-математическая терминология затрудняет ее применение в радиоинженерной практике.
Работы Уткина Г.М., посвященные теории распределенных автогенераторов (РАГ) [I09-IIIJ , используют метод медленно меняющихся стоячих волн (ММСВ), где решение нелинейной волновой задачи ищется в виде набора стоячих волн, соответствующих линейной части задачи, с медленно меняющимися во времени амплитудами и фазами. Известная простота и наглядность делают этот метод весьма привлекательным ГII0J , однако анализ неоднородных РАГ с его помощью затруднен.
В работах Дворникова А.А. и Уткина Г.М. [l04,117,118,134,137, 143,15б] была разработана методология получения "укороченных" уравнений многоэлементных автогенераторов на основе общего резонатора, которая в отличие от теории Постникова Л.В. охватывает случай РАГ, а также позволяет получить укороченные уравнения без формального решения нелинейного волнового уравнения, как это делается Уткиным Г.М. ГіІОДІІ] . Это дало возможность решать автоколебательные задачи и для РАГ на основе неоднородных резона --За торов / I047. Суть теории состоит в том, что однорезонаторные многоэлементные автогенераторы представляются в виде линейного 2т -полюсника и /71 подключенных к нему нелинейных активных элементов. Для мгновенных значений токов L и напряжений & на активных элементах справедливы нелинейные дифференциальные уравнения []= [yfSj][uJ , где [CJ[и] -матрицы-столбцы мгновенных значений токов и напряжений активных элементов. Матрица [ fyfS)] получается заменой /0J - [I04J из матрицы взаимных и собственных проводимостей линейного 2hZ -полюсника, записанной относительно точек подключения активных элементов ( СО -текущая частота). В предположении, что соседние собственные частоты линейного 2)71 -полюсника отличаются друг от друга на величину существенно большую полосы пропускания общего резонатора, а коэффициенты передачи по напряжению по входам однорезонаторной АССМ мало меняются в той же полосе, получены укороченные уравнения рассматриваемых однорезонаторннх систем. По виду они аналогичны укороченным уравнениям многоконтурного автогенератора с одним активным элементом [і53]. Предельным переходом к бесконечному числу входов доказана применимость полученных уравнений для РАГ.
В дальнейшем основы этой теории авторы распространили на случай ансамблей многих,связанных на основном тоне, одноконтурных автогенераторов [ІІ7,118,133,134,137,139,143,147 .
Хотя по теории взаимосвязанных автогенераторов имеется много работ, например, [78,86,91,113-116,119-132,141-145,148,149], но большинство исследователей интересовалось процессами взаимной синхронизации лишь небольшого числа автогенераторов (как правило двух, трех) в приближении слабых комплексных связей. В работах же [lI7,II8,I33,I34,I37j, переходя в полных дифференциальных
- уравнениях от мгновенных значений токов и напряжений активных элементов автогенераторов к их комплексным амплитудам (П7,П8, I34J и ограничиваясь первыми членами разложения в ряд по малой частотной расстройке матрицы взаимных и собственных проводимостей линейной части системы, были получены укороченные уравнения ансамбля многих связанных автогенераторов, справедливые для взаимных связей вплоть до сильных резистивннх. Полученные уравнения аналогичны укороченным уравнениям при слабых комплексных связях, что объясняется безынерционностью резистивной связи. Значение работ [І04,117,118,134,137,І43,І5б] состоит не только в том, что они позволили сравнительно просто и единообразно описать широкий класс АССМ (однорезонаторные и ансамбли взаимосвязанных автогенераторов), используя аппарат "укороченных" уравнений, традиционный в радиоинженерной практике [I53J, но и в том, что подтверждая уже известные результаты, позволили обнаружить и объяснить ряд новых явлений, не свойственных обычным одноэлементным структурам. По этой причине методология, разработанная в этих работах, и стала основой дальнейших исследований.
Ниже сформулированы основные результаты, которые были получены ранее при анализе работы многоэлементных автогенераторов как на основе общего резонатора, так и на основе ансамблей многих взаимосинхронизированных автогенераторов (АВСА).
I. Автогенераторы на основе общего резонатора с многими активными элементами во многом аналогичны многоконтурным автогенера-торам с одним активным элементом [l04J, однако в отличие от них имеют ряд особенностей: работа многих активных элементов с обычной одноустойчивой колебательной характеристикой в однорезонатор-ных АССМ может приводить к возникновению многоустойчивых стационарных режимов /112/. В одночастотном режиме однорезонаторная АССМ полностью аналогична одноконтурному автогенератору с одним активным элементом fl04].
2. Определяющую роль в ухудшении эффективности сложения мощностей в однорезонаторной АСОМ играет отличие распределения напряжения автоколебания по активным элементам от оптимального /104].
Отсюда, очевидны преимущества систем бегущей волны по сравнению с другими устройствами сложения мощностей в распределенных системах, а именно: отпадает необходимость в жесткой корреляции расстояний между активными элементами и длиной волны, предоставляются широкие возможности для частотной перестройки таких генераторов [іОб].
3. Фазовые шумы выходного сигнала однорезонаторной АССМ увеличиваются в число активных элементов раз по сравнению со случаем работы в том же резонаторе лишь одного активного элемента. Если же одновременно с увеличением числа активных элементов эквивалентная емкость резонансной системы также пропорционально увеличивается (увеличиваются размеры общего резонатора), то фазовые шумы уменьшаются пропорционально числу активных элементов [104 , Кб].
4. Эффективность внешней синхронизации однорезонаторных АССМ в существенной степени определяется соотношением между распределением напряжения синхросигнала и основного автоколебания по активным элементам Гі04,І5б] (при неблагоприятном соотношении распределений напряжений внешняя синхронизация невозможна).
5. Область работоспособности АВСА с линейными взаимными связями определяется полосой взаимной синхронизации /lI7,II8,I33,I34j которая, в свою очередь, зависит от величины и характера взаимной связи между отдельными автогенераторами.
Эффективное сложение мощностей в подобных системах возможно, если связь между автогенераторами резистивная, осуществляемая преимущественно через дополнительные (по отношению к общей нагрузке) диссипативные элементы. Введение диссипативных элементов связи обеспечивает устойчивость лишь синфазного равноамшштудного стационарного режима в ансамбле и, тем самым, позволяет избавиться от многомодовости, характерной для реактивной связи /117,133, 134/. При синфазном равноамплитудном режиме ансамбля дополнительные поглотители в рабочем режиме энергию автоколебаний практически не рассеивают.
6. В первом приближении, разброс параметров автогенераторов тем меньше сказывается на режиме работы ансамбля, чем больше взаимная связь между ними /117,156/.
7. В ансамблях связанных автогенераторов имеет место эффект уменьшения естественной и технической ширины спектральной линии [117,124,127,128/. Оптимальная связь, приводящая к сужению спектральной линии колебаний при взаимной синхронизации автогенераторов при наличии шумов, реализуется в системе диссшативно связанных автогенераторов в равноамплитудном синфазном режиме. При оптимальной связи фазовые шумы выходного сигнала ансамбля в число автогенераторов раз меньше фазовых шумов одного овободного автогенератора. Для "шумящих" элементов связи выигрыш (уменьшение) уровня низкочастотных флуктуации частоты при синхронном взаимодействии автогенераторов равен . fn i) f 1 тсш$ ля автогенераторов, взаимодействующих по принципу "каждый с каждым", и - для ансамбля автогенераторов, связанных в "кольцо" или "цепочку", где - шумовой параметр элементов связи (0--d. ), 1ъ - число автогенераторов в ансамбле.
Третья глава диссертации является логическим продолжением исследований, проведенных во второй главе. В ней анализируется работа систем автоподстройки частоты и фазы (АПЧ и АЇЇФ) ансамбля автогенераторов, в которых в качестве управителя частоты колебаний используется внешний резонатор с перестраиваемой собственной частотой. Получены дифференциальные уравнения рассматриваемых систем, проанализированы возможные стационарные режимы, их устойчивость и шумовые характеристики; проанализирована внешняя синхронизация ансамбля, стабилизированного внешним резонатором, а также комбинированная система автоподстройки частоты ансамбля.
Работа оканчивается заключением, где формулируются основные результаты исследований.
Об энергетике системы двух резистивно связанных автогенераторов
Исследуемые в данной работе многоэлементные автогенераторы охватывают широкий класс АССМ как на основе однорезонаторных модулей с одним или несколькими активными элементами, так и на основе ансамблей взаимосинхронизированных однорезонаторных модулей.
В настоящее время известно большое количество схем и конструкций АССМ, многие из которых с успехом используются на практике. Применение полупроводниковых приборов привело к заметному их упрощению. Из анализа наиболее распространенных схем и конструкций однорезонаторных АССМ, соответствующих 3-ему уровню интеграции, следует, что системы такого типа имеют общий принцип построения. Он заключается в том, что твердотельные низкоомные полупроводниковые структуры включаются симметрично в области максимума СВЧ токов резонатора в точки с одинаковым СВЧ потенциалом. Это обеспечивает эффективную работу активных элементов как источниковСВЧ тока и равномерное распределение между ними электрической нагрузки. Типичные схемы с непосредственным включением диодов в резонатор показаны на рис.0.3 и на рис. 0.4 [22,27-30].
Как правило, в рассмотренных выше традиционных системах многоэлементное исполнение приводит либо к увеличению массы и габаритов, либо к ухудшению теплоотвода системы.
Следующий уровень интеграции - ансамбли взаимосинхронизиро-ванных однорезонаторных АССМ. Наиболее показательными по принципу построения являются многорезонаторные системы сложения мощностей [3I,32j, показанные на рис. 0.5. В этих системах обеспечивается электродинамическая связь между резонаторами и общий вывод энергии, осуществляемый через специальную схему связи с нагрузкой, либо из одного внешнего резонатора, не содержащего диодов (аналогично тому, как это сделано в вакуумном коаксиальном магнетроне). Возможна и система, использующая в чистом виде магнетронний резонаторний блок [32І , как показано на рис.0.56.
Ансамбли взаимоеннхронизированных однорезонаторных АССМ допускают размещение большего числа активных элементов, чем одно-резонаторные модули, показанные на рис.0.3. Однако им в большей степени свойственны недостатки, связанные с проблемой обеспечения одномодовости, что особенно сзпцественно при построении автогенераторов. Подавление нежелательных видов колебаний всегда являлось трудной задачей для многоэлементных структур. Ее решение наиболее успешно реализуется при использовании принципа резистивного подавления. Практические конструкции, использующие принцип резистивного подавления нежелательных видов колебаний в многоэлементных системах, показаны на рис.0.6. Сложение мощностей в резонаторе типа секторной радиальной линии показано на рис. 0.6а ГзЗ-35/ В отличие от конструкции такой же системы безрезисторов ( см.рис. 0.3а) в данной конструкции введены резисторы вблизи области связи секторов с выходной линией. Резисторы, являясь балластными СВЧ сопротивлениями, одновременно служат нагрузочными сопротивлениями в цепи подачи смещения на диоды.
Общественный шаг в развитии идей сложения мощностей был сделан в Гі5,3б] . В поперечном сечении волноводного резонатора (см.рис. О.бб) вблизи его узких стенок размещены два модуля, содержащие диод, трансформатор (I), элемент связи с волнводом в виде штыря, расположенного параллельно вектору электрического поля волновода, и резистивную нагрузку модуля (2). Конструкция обеспечивает подавление нежелательных видов колебаний и раздельное питание каждой диодной структуры. Диодные пары размещены на расстоянии %3 Р&У1 от ДРУга, где Xg - длина волны рабочего типа колебаний в волноводе. Системы, построенные по описанному принципу, были реализованы в цилиндрическом резонаторе [37-39J . В 1977 году были изготовлены подобные генераторы на ЛПД со сложением мощности 75-85 диодов, которые на частоте = 9 ГГц обеспечивали значение непрерывной мощности колебаний 250 Вт и I кВт в импульсе.
Недостаток систем сложения с балластными резисторами (2) заключается в некотором снижении КПД [40J за счет поглощения части полезной мощности резистивными поглотителями.
Иной, весьма распространенный метод получения мощных колебаний в т/т РПДУ состоит в том, что активные модули объединяются между собой с помощью пассивных суммирующих и разделяющих устройств ( направленных ответвителей, мостов, двойных тройников, гибридных колец) [4I-47J .Наиболее типичной в этом плане является схема Фукуи (рис.
Управление частотой колебаний ансамбля автогенераторов внешним резонатором
Как было показано в 2.1, эффективность метода управления частотой колебаний АВСА за счет частотной перестройки колебательных систем его отдельных автогенераторов может оказаться недостаточной, особенно для ансамблей, состоящих из большого числа автогенераторов. Это объясняется дополнительным усложнением конструкции АВСА, поскольку приходится включать большое количество управителей частоты со своими цепями питания. Кроме того, усложняется симметрирование характеристик управителей и законов их модуляции, падает надежность работы всей системы.
Вместе с тем практика выдвигает перед разработчиками РЭА задачу создания мощных, перестраиваемых по частоте источников колебаний (особенно в диапазоне СВЧ) с одновременной стабилизацией несущей во всем диапазоне перестройки [21,55-62,65,68-70,109,137, 138,155,163,166-186]. Для этой цели предлагается использовать АВСА, связанный с внешним, перестраиваемым по частоте резонатором [21,109,137,138,155,167,171,172]. Эффект управления частотой ансамбля основан на явлении затягивания частоты его колебаний внешним резонатором.
Исследоваться будет система с резистивной связью между отдельными автогенераторами ансамбля и внешним резонатором, поскольку этот тип связи имеет ряд преимуществ по сравнению со связью реактивной Гі38,І70], а именно:- обеспечивает больший коэффициент стабилизации частоты; - ограничивается ни условием устойчивости автоколебаний, ни условием их гашения;- кривые перестройки частоты симметричны относительно точки A CJ CJJ0 — СОр = 0 , где СО о - частота стационарных колебаний свободного ансамбля, а СОр - собственная частота внешнего резонатора.
Ниже анализируется поведение ансамбля при перестройке внешнего резонатора, эффективность и особенности предлагаемого способа управления частотой АВСА, оценивается энергетический режим и диапазон возможных перестроек в системе.
Исследуем систему ансамбль - внешний резонатор. Предположим, что ансамбль построен из ҐЬ одинаковых и нерасстроенных друг относительно друга по частоте одноконтурных автогенераторов, связанных между собой резистивно и симметрично по принципу "каждый с каждым". Внешний резонатор в общем случае резистивно связан с К автогенераторами ансамбля ( К =1,2,...,/?, ). Принципиальные схемы возможных вариантов рассматриваемой системы ансамбль - внешний резонатор представлены на рис. 2.2 и 2.3, на которых р - внешний резонатор, а і = 1,2,,.,, At - автогенераторы.
Если в пределах полосы взаимной синхронизации Цвз.с исследуемой системы процессы имеют квазигармонический характер, а напряжения на входах ансамбля и внешнего резонатора могут быть представлены в виде синусоидальных колебаний с медленно менявди то для комплексных амплитуд напряжений JJI р (±) в соответствии с [117,137,138] можно получить следующее операторное матричное уравнение:в котором - укороченная операторная матрица взаим ных и собственных проводимостей системы ансамбль - внешний резонатор, записанная относительно частоты стационарных колебаний этой системы CJQ UL(S,VL) - укороченная собственная проводимость t -ого входа системы ансамбль - внешний резонатор {I 4,2 3,..., IX f р) ; Ytz - укороченная взаимная проводимость между і -ым и / -ым автогенераторами ансамбля; Ьр - укороченная взаимная проводимость связи между автогенератором ансамбля и внешним резонатором.
Элементы матрицы Jl[ Hfi)\ определяются из следующих соотношений: В соотношениях (2.23) и (2.24) an = / - сопротивление взаимной связи между отдельными автогенераторами АВСА, dot сопротивление связи автогенераторов ансамбля с внешним резонатором; $н - омическая проводимость, привнесенная со стороны нагрузки ансамбля во взаимную и собственную проводимости системы;CJC и CUyo собственные частоты колебаний отдельных автогенераторов ансамбля и внешнего резонатора соответственно, а 9, и9/э - проводимости их собственных потерь; ti и tp - сопротивления собственных потерь колебательных систем отдельных автогенераторов ансамбля и внешнего резонатора соответственно;S,-ft/J= SiadTO+j Зір(Кс) - комплексная крутизна первой гармоники тока і -ого активного элемента ансамбля.Рассматривая далее лишь равноамшштудные режимы ТА Uz —= "=Z/ -K іЛ- Ш-к+г - Vn. ансамбля одинаковых и нерасстроенных по частоте автогенераторов ( Yn —122—" — і п к
Система фазовой автоподстройки частоты в АВСА
Графическое решение уравнения (3.14) представлено на рис. 3.5, на котором TjQvg - полоса захвата системы ЧАП АВСА, J/W - полоса
Рис. 3.5. ]?рафическое решение уравнения стационарного режима системи ЧАЛ АВСА. удержания системы ЧАП АВСА. Полоса расстроек , лежащаямежду Оіааі. и О уд. называется гистерезисной зоной, ко торая характеризуется наличием 3-х точек стационарного режима {% %, Уз г (см.рис. 3.5). Пользуясь критерием Михайлова, можно показать, что точка стационарного режима 3 всегда неустойчива. Зависимость (3.14) подобна регулировочной кривой АВСА, стабилизированного внешним резонатором (см.рис.2.4). Сравнивая их, можно заключить, что для начальных расстроек (/зок режим работы будет эффективным; при ц Ту2. система ЧАП не осуществляет стабилизацию частоты АВСА. Таким образом, рабочая область расстроек - это полоса захвата. Гистерезисные эффекты системы ЧАП обусловлены исключительно нелинейностью характеристики дискриминатора. Эффективность режима стабилизации для д &3QK& определяется крутизной кривой стационарного режима (рис.4.5) в точке Для малых отклонений частоты АВСА СОс от эталонной нелинейную характеристику ЧД (рис.3.2) можно разложить в ряд Тейлора в окрестности = Опри этом уравнение системы ЧАП АВСА для рабочих режимов в пределах 0зак. Для малых примет видгде /1=0 0 11 _ коэффициент регулирования системы ЧАП АВСА. Рассмотрим передаточные операторные функции системы ЧАП АВСА для малых возмущений частот в рабочей области расстроек для чего введем обозначения Vs3 Д с/ф - безразмерное отклонение частоты подстраиваемого АВСА относительно своего номинального значения CJc &Jp COjr ; Y /ф безразмерное отклонение частоты дискриминатора относительно своего номинального значения СОз .
Тогда уравнение для малых вариаций у, ( ± г в окрестности точки номинального стационарного режима примет вид:Коэффициент передачи \ = г- = -—— -—определяет временныеи частотные характеристики возмущений частоты стационарных колебаний 6Jc АВСА в зависимости от возмущений эталонной частотыдискриминатора системы ЧАЇЇ.Коэффициент передачи ] г (S) тг " —Г7Г 0ПРеДеляетвременные и частотные характеристики возмущений частоты CUc в зависимости от вариаций частот генерации отдельных автогенераторов
Коэффициент передачи y2[S)=r= . угґо).А— определяетвременные и частотные характеристики возмущений частоты Сс?с в зависимости от возмущений собственной частоты внешнего резонатора.
Для задачи стабилизации частоты АВСА характерно, что СОэ и OJp являются стабильными, возмущениям в основном подвергаются частоты отдельных автогенераторов АВСА. Если возмущения Рёх 2 носят квазистатический характер, то можно показать, что
Из выражения (3.18) следует, что квазистатические возмущения частоты дискриминатора практически полностью преобразуются в возмущения частоты стационарных колебаний ансамбля СОс » поскольку коэффициент регулирования системы ЧАП А , как правило, много больше единицы. Квазистатические возмущения собственной частоты коле баний ансамбля йСОо — 1 на выходе системы ЧАП АВСАуменьшаются в [4+А) Н раз, где Н - коэффициент стабилизации частоты ансамбля внешншл резонатором (см.3.19), что в п раз больше, чем в системах ЧАП без внешнего резонатора [190,191/. Квазистатические возмущения собственной частоты внешнего резонатора &GJp на выходе системы ЧАП уменьшаются ъ[1+Н) раз (3.20). Последние два обстоятельства позволяют смягчить требования, предъявляемые к элементам цепи обратной связи в кольце ЧАП, а также.к параметрам внешнего эталонного резонатора-управителя.
Б общем случае вариации у/ , ± &г содержат как медленные, так и быстрые компоненты регулярной составляющей, а также и шумовую составляющую. Предполагая, что регулярные составляющие возмущений 4}i9z носят гармонический характер, на основании амплитудно-частотных характеристик системыкоторые получаются заменой -» JCO в соответст
вующих операторных коэффициентах передачи, можно оценить гармонические составляющие отклика V рассматриваемой системы. Дляоценки шумовых свойств системы ЧАП АВСА необходимо провести статистический анализ ее работы при воздействии шумовых вариаций , г 9 . Если предположить, что &± - есть нормальный случайный процесс с энергетическим спектром ,Дг (со) , то среднийквадрат \) возмущений стционарной частоты,обусловленный воз действием этого процесса, определится из соотношения /1977"J" T J—TJTz Отсюда видно, что фильтрация квазистатичес ких случайных возмущений ё± в системе с внешним резонатором(Аз О) в (j+H)раз лучше, чем без него. Если спектр случайного процесса i расширяется, то Аэ озрастает при прочих равных условиях, а фильтрация процесса ± на выходе системы при условии, что Аэ d (например, за счет выбора большой величины А связи с внешним резонатором) будет определяться большей из величин J Л Э . (-г- ТГ) г
Рассмотрим отношение КА = 9/Лг » Где v - есть средний квадрат возмущений частоты 6 ?с АВСА, резистивно связанного с внешним резонатором при замыкании системы ЧАП с пропорционально-интегрирующим фильтром (ПИФ), операторный коэффициент передачи которого d65 Для 9 = 0 имеем систему ЧАП с интегрирующим ФНЧ, а при = I имеем систему ЧАП без фильтра I U/(Sj—4. . Из (3.25) следует, что качество фильтрации определяется величиной коэффициента регулирования /\ , величиной коэффициента включения Я , а также величиной отношенияВ самом деле, при ф— j_ получаем, что
Автоподстройка фазы (АПФ) синхронизированного АВСА
Часто необходимо получать синхронизированные колебания не только стабильные по частоте, но и обладающие минимальной ошибкой по фазе. Одним из способов повышения стабильности фазы автоколеба тельного объекта, синхронизированного с помощью ФАП или захватыванием, является использование дополнительного кольца автоподстройки фазы (АЇЇФ), содержащего стандартные элементы: фазовый детектор (ФД), фильтр (ФНЧ), в который может входить усилитель постоянного тока (УПТ), и фазовый модулятор (ФМ) [І96І.
На рис. 3.12 изображена структурная схема системы АПФ синхронизированного ансамбля автогенераторов (САГ). Здесь кольцо АПФ является внешним по отношению к САГ и не влияет на его работу, поэтому параметры и режим САГ не обязательно выбирать из условия получения малой фазовой ошибки в самой системе САГ, а можно исходить из каких-либо других заданных требований. Как известно, при синхронизации АВСА по монохроматическому сигналу квазистатическая нестабильность его собственной частоты (AGJC J полностью устраняется, но при этом появляется фазовая ошибка между колебаниями АВСА и колебаниями входного сигнала [lI8J. Следует отметить, что причины, вызывающие появление дестабилизирующих факторов, самые различные и в ряде случаев не поддаются контролю. Отсюда, наиболее перспективным является применение систем автоматической стабилизации фазового набега в АВСА, действие которой не зависит от природы дестабилизирующих факторов.
Рассмотрим структурную схему системы АПФ САГ, представленную на рис.3.12. Здесь для стабилизации фазы у выходного сигнала ансамбля относительно фазы ті входного сигнала применяется фазовый модулятор (ФМ), который управляется сигналом с фазового детектора ФД. В дальнейшем будем полагать, что паразитная амплитудная модуляция в ФМ отсутствует и он вносит лишь дополнительный фазовый сдвиг А Модуляционная характеристика Д(Єу) реального ФМ, имеющего ограниченный диапазон регулирования 7 , показана на рис.3.13 сплошной линией, а ее линейная идеализация - пунктиром. В фазовом детекторе вырабатывается сигнал ошибки ft і А/ в форме напряжения постоянного тока, зависящий от изменения фазового сдвига в САГ и ФМ. Эти сдвиги обз словлены дестабилизирующими факторами. Фильтр нижних частот (ФНЧ) придает системе АПФ желательные динамические свойства. При правильно подобранной полярности сигнала обратной связи первоначальная нестабильность фазового набега в САГ и ФМ автоматически уменьшается изменением фазового сдвига в ФМ.
Управляющий сигнал Qy , входящий в (3.85), определяется из дифференциального уравненияв котором а i г± - разность Фаз сигналов на входах ФД,- операторный коэффициент передачи ФНЧ совместно с ЛІТ, ti (ІГІІ Уг) и г І [Vi, ЩсС) - параметры характеристики ФД.
Составим дифференциальное уравнение АПФ синхронизированного ансамбля, считая, что АВСА синхронизирован с помощью кольца ФАЛ. С этой целью запишем вначале уравнение для фазы тн САГ, а затем добавим уравнение кольца АПФ. Фазы колебаний входного сигнала и подстраиваемого ансамбля т± и ті, соответственно будем отсчитывать относительно опорной фазы 0O$ L . Предположим, что амплитуда входного сигнала и± постоянна, а модуляционная характеристика управителя частоты внешнего резонатора АВСА линейна с крутизной — oyj—2_-/ . Учитывая, что текущая частота подстраиваемого ансамбля GJQ является производной его фазы U)c І + 7# IV » напишем дифференциальное уравнение ФАЛ АВСА в операторной форме
