Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 13
1.1. Временная и частотная (спектральная) области представления характеристик генера торов 13
1.2, Предельная достижимая стабильность частоты автогенераторов. Оценка влияния дестабилизирующих факторов при использовании сверхпроводЕцякх резонаторов 17
1.3, Источники шумов в автогенераторах Различные методы описания и измерения спектральных характеристик автоколебательных систем 24
1.4. Сравнение временных и спектральных характеристик различных прецизионных источников колебаний СВЧ диапазона 35
Выводы *43
ГЛАВА 2 Исследование процессов в генераторах 44
2.1. Многоконтурные автоколебательные системы при создании высокостабильных глалошумящих источников колебаний . 44
2.2. Характеристики стационарных режимов двух-контурной автоколебательной системы с комплексной связью между контурами 47
2.3. Исследование характеристик стационарных режи мов трехконтурной автоколебательной системы с комплексными связями между контурами 56
2.4. Анализ спектральных и временных характеристик трехрезонаторного генератора при учете флуктуации собственной частоты стабилизирующего резонатора 69
2.5. Особенности трехрезонаторных 084 систем стабилизации частоты при существенном различии добротностей резонаторов 79
Выводы, , 85
ГЛАВА 3 Исследование спектральных характеристик генераторов с резонатором 87
3.1. Особенности конструкции генератора на туннельном диоде и криогенной части экспериментальной установки 87
3.2, Экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик ОВЧ генераторов с малым уровнем мощности 93
3.3- Исследование шумовых характеристик генераторов со сверхпроводящим резонатором при одночастот-ном режиме работы и разных коэффициентах
стабилизации 105
Выводы 118
ГЛАВА 4. Исследование особенностей процессов 120
4.1,Влияние многорезонансности колебательной системы генератора на его спектральные характеристики при одночастотном режиме 121
4.2. Шумы при устойчивом многочастотном режиме работы трехроэонаторного генератора на туннельном диоде 128
4.3, Исследование спектральных характеристик многорєзонаторного генератора в нестационарной генерации мод. 136
Выводы 141
Заключение 142
Литература
- Источники шумов в автогенераторах Различные методы описания и измерения спектральных характеристик автоколебательных систем
- Характеристики стационарных режимов двух-контурной автоколебательной системы с комплексной связью между контурами
- Экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик ОВЧ генераторов с малым уровнем мощности
- Шумы при устойчивом многочастотном режиме работы трехроэонаторного генератора на туннельном диоде
Введение к работе
В последнее время к стабильности частоты генераторов предъявляются все возрастающие требования. Это обусловлено широким применением прецизионных источников частоты в линиях телекоммуникаций, допплеровских радиолокационных системах, навигации и связи [32,37,39] В связи с тем, что частота в настоящее время является наиболее точно измеряемой величиной [14] , высокостабильные генераторы с узкой спектральной линией имеют особенное значение в ряде технических и физических применений Они используются в датчиках типа аналог-частота [84] , как вторичные эталонны частоты» задающие генераторы на линейных ускорителях» при детектировании гравитационных волн [12,14] Использование в СВЧ-даапазоне квантовых генераторов, в качестве высокостабильных источников колебаний, осложняется необходимостью преобразования их частоты Это приводит к увеличению шумов выходного сигнала» Кроме того, чрезвычайно малая генерируемая мощность квантовых стандартов ( 10 Вт) также является их недостатком [20] ,
Стабилизацию частоты в СВЧ-области можно осуществить несколькими методами: яри помощи кварцевых резонаторов» применением систем автоматической подстройки ; параметрической стабилизацией [61] .
Создание кварцевых СВЧ-генераторов связано с усложнением схемы за счет систем умножения частоты, что, кроме прочего» приводит к ухудшению спектральных характеристик выходного сигнала, т.к шумы растут пропорционально квадрату коэффициента умножения В системах автоматической подстройки частоты точность поддержания частоты стабилизируемого генератора зависит от ее струкзурной схемы, а также от параметров эталона [61] . Однако достижение высокого уровня кратковременной нестабильности частоты в системах АЇЇЧ требует принятия специальных мер, приводящих к значительному усложнению схем. Это обусловлено тем, что постоянные времени низкочастотных цепей велики по срвнению с периодом СВЧ-колебаний, и схемы не успевают реагировать на быстрые уходы частоты.
Результаты исследований СШ-генератора, обладающего рекордной стабильностью, приводятся в [81,122,123,125] . Использование полого ниобиевого сверхпроводящего резонатора (СПР) с добротностью Qe 10 [125] в системе автоподстройки частоты генератора на диоде Ганна позволило достичь уровня относительной нестабильности частоты д-F/fx 3 1СП16 при временных измерения от 3-Ю2 до З Ю3 сек ж л-Р/р З-Ю"1 за сутки. Однако, необходимо отметить, что для создания такого генератора потребовалось стабилизировать ряд параметров с уникальной точностью. Все это привело к созданию очень сложной установки с большим количеством узлов, требующих отдельной настройки. К недостаткам системы следует отнести плохую воспроизводимость частоты генерации.
На практике уровень стабильности частоты д{/Т (10 +10 ) не всегда является необходимым. Если достаточно шлеть кратковременную стабильность на уровне д-р/т (10 - 10 ), то оказывается целесообразным использование более простых методов, основанных на параметрической стабилизации.
При параметрической стабилизации определяющее значение имеет стабильность параметров резонансдай системы, которая должна обладать не только высокой добротностью» но и высокой эталон-ностью. Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют сверхпроводящие резонаторы, а также диэлектрические резонаторы без проводящего покрытия [14,15] , которые подключаются к автономному генератору, образуя многононтурные системы стабилизации.
Впервые использование СИР для стабилизации СВЧ-генератора было предложено в [85] , К настоящему времени создано значительное количество генераторов, стабилизированных СИР [19,70,81,93, 61] и различающихся между собой как активными элементами, так и способами стабилизации. Стабилизирующая способность различных методов пропорциональна добротности используемых СЕР, однако по спектральной чистоте выходного сигнала и простоте выполнения многоконтурные генераторы превосходят системы с АІШ [бі] . Применение СИР в схемах затягивания частоты позволяет достичь» без принятия специальных мер, достаточно высокой стабильности СВЧ генератора (А Г/Г ее 1 10 -г 3-Ю ) с одновременным сужением ширины спектральной линии на много порядков [61,19,II,21] . Величиной, характеризующей улучшение стабильности частоты может слузшть коэффициент стабилизации, определяемый как отношение уходов частоты нестабилизированного (свободного) и стабилизированного генераторов при одинаковых изменениях:пара-метров. Существует значительное число стабильных генераторов, в которых используются различные модификации метода затягивания [19,88,117,93,70] , отличающиеся как числом резонаторов и типом связей между ними, так и местом вывода полезного сигнала- Несмотря на имеющиеся теоретические работы, рассматривающие возможности отдельных схем [48,64,49,25,36,117] и содержащие сравнительный анализ различных систем многоконтурной стабилизации [20,49,73] , в том числе, учитывающие комплексные критерии [88] вопрос о преимуществах той или иной модификации остается не совсем ясным
В Советском Союзе СПР в схеме затягивания частоты был впервые использован для стабилизации частоты клистронного генератора [ 20 3 • Реализация 3-х контурного затягивания при выводе сигнала из СПР позволила достичь нестабильностен f/fVEO"10 за 1-Ю сек и уровня - 140-=-150) дБ/Гц частотных шумов на отстройках /7 # -х I кГц от несущей.
В работах [36,70J описан отражательный клистрон, стабилизированный с помощью СПР с диэлектрическим заполнением из монокристалла сапфира по трехконтурнои схеме и выводом энергии из активного контура генератора. При относительной нестабильности частоты генерации д-f/T 3-Ю за I сек, спектральная плотность частотных шумов составляла 3-Ю Гц /Гц на отстройках / & я8 кГц от несущей [14] ,
Для снижения чувствительности к вариациям параметров промежуточных элементов генераторов весьма выгодно поместить генератор в непосредственной близости от стабилизирующего СПРФ В этом случае активный элемент должен работать при температурах жидкого гелия и обладать малым собственным тепловыделением. Таким требованиям удовлетворяет туннельный диод Использование СПР из сапфира, являющихся лучшими в настоящее время по стабильности и воспроизводимости собственной частоты [5] t для стабилизации по трехконтурнои схеме криогенного генератора сверхжесткой конструкции на туннельном диоде позволило достичь относительной нестабильности частоты йі/Р з 6 КГ13 за Т - 10 сек [68] .
В такой системе следует ожидать низких уровней шумов при обеспечении оптшальных условий генерации.
Таким образом, является актуальным исследование физических процессов в многоконтурных автоколебательных системах различной структуры с высокими добротностями стабилизирующих элементов;
исследование поведения многоконтурных СВЧ генераторов с СТЕР на основе сапфира в зависимости от дестабилизирующих воздействий при температурах жидкого гелия; анализ режимов работы много-резонаторных генераторов различных типов.
В качестве объекта исследования рассматриваются двух и трехконтурные автоколебательные системы стабилизации частоты с комплексными связями между коптурами; трехрезонаторные СВЧ генераторы, стабилизированные с помощью выеокодобротных резонаторов. Целью диссертационный работы является - исследование физических процессов в многоконтурных генераторах с контурами как сравнимой так и резко различной добротности;
- выявление оптимальной, при заданных параметрах, схемы много-контурноЁ автоколебательной системы для получения максимального коэффициента стабилизации;
- исследование спектральных характеристик многоконтурных систем стабилизации частоты в зависимости от параметров системы и режимов ее работы.
Научная новизна работы заключается в том, что на основании теоретического анализа и экспериментального исследования много-контурных автоколебательных систем с комплексными связями между контурами даны рекомендации по выбору схем стабилизации для получения максимальных коэффициентов стабилизации;
- получены зависимости флуктуационных характеристик трехрезона- торньсс генераторов от коэффициента стабилизации и естественных флуктуации параметров стабилизирующего резонатора;
- разработана методика измерений я измерены спектры амплитудных и частотных шумов высокостабильных трехрезонаторных СВЧ генераторов на различных активных элементах при различных температурах и коэффициентах стабилизации;
- выявлены особенности шумовых спектров, связанные с многоконтур-ностью автоколебательных систем и возможной многочастотностью их режимов работы,
Црактичеокая ценность заключается в полученных рекомендациях по выбору параметров и методике анализа многоконтурных автоколебательных систем с комплексными связями между контурами. Разработанные рекомендации могут быть применены при создании высоко стабильных многоконтурных генераторов. Создана экспериментальная установка, позволяющая по своим параметрам исследовать спектральные характеристики малошумящих генераторов СВЧ с малой мощностью Основное содержание диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения» четырех глав и заключения. Работа имеет объем 157 страниц, включает 43 рисунка и 8 таблиц, библиографический раздел содержит список цитируемой литературы из 127 наименований Во введении дана общая постановка проблемы создания прецизионных источников колебаний, обоснована актуальность поставленной задачи» сформулирована цель работы, указана новизна и практическая ценность полученных результатов, а также приводится краткое содержание глав диссертации.
В первой главе, на основании обобщения и систематизации литературных данных, показана необходимость оценки качества источников колебаний по их характеристикам в двух областях - временно! и спектральной. Рассматриваются неустранимые дестабилизирующие г факторы в генераторах со сверхпроводящими резонаторами, как полыми, так и с диэлектрическим заполнением. Приводятся параметры этих резонаторов - добротность, стабильность, воспроизводимость собственной частоты. Дается обзор методов анализа ж исследования шумовых процессов в генераторах, проводится сравнение способов измерений спектральных характеристик. Приводятся параметры различных прецизионных генераторов СВЧ диапазона во временной и частотной областях.
Вторая глава посвящена исследованию динамических характеристик многоконтурных систем стабилизации при комплексной связи меиду контурами. Изучены общие свойства двух и трехконтурных систем с комплексной связью при сравнимых величинах добротностей контуров. Выявлено влияние величин связей и запаса регенеранти на достижимую стабильность и потери на стабилизацию. Даны рекомендации по выбору величин и типов связей в многоконутрных системах для получения максимального, при имеющихся параметрах» коэффициента стабилизации. Проводатся исследование трансформации спектральных характеристик автономного генератора в одночастотном режиме пра его стабилизации по трехконтурной схеме при учете флуктуации собственной частоты стабилизирующего контура и оценивается достижимая стабильность в таких условиях. Проводится анализ эксперимента с реальными генераторами со сверхпроводящими резонаторами. Третья глава содержит результаты экспериментального исследования спектральных характеристик различных СВЧ генераторов стабилизированных по трехконтурной схеме при различных коэффициентах стабилизации. В связи с этим приводится обсуждение особенностей конструкций генераторов, криогенной части экспериментальной установки и подробно описывается измерительная часть установки, конструкция и параметры отдельных ее узлов.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований влияния многочастотности колебательной системы генератора и возможной многочастотности режима работы на его спектральные характеристики.
В заключении сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
Апробация даосертационной работы» Основные результаты диссертационной работы докладывались на Ш Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых и специалистов по совершенствованию устройств и методов приема и передачи информации (Ростов-Ярославский в 1982г.)» на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы повышения эффективности и качества систем синхронизации" (Каунас 1982 г.), на УІ Всесоюзной межвузовской конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей и систем (Ташкент 1982 г )» на X Всесоюзной научной конференции "Электроника ОВД" (Минск 1983 г.), на ІУ Всесоюзной школе-совещании молодых ученых и специалистов по стабилизации частоты и прецизионной радиотехнике (Звенигород 1983 г.), а также оцубликованы в работах [30,31,40,41,52,53,54, 69,72]
Источники шумов в автогенераторах Различные методы описания и измерения спектральных характеристик автоколебательных систем
В ряде случаев, например, в спектроскопии и некоторых радиолокационных системах большее по сравнению с нестабильностью частоты источников колебаний, внимаше уделяется их спектральным характеристикам [29,32J . Знание формы спектральной линии и ее пьедестала особенно важно в модуляционных методах измерений, в высокочувствительных датчиках, применяемых в гравитационных приемниках [14] .
Флуктуационные характеристики автогенераторов, как существенно нелинейншс систем» зависят от свойств источников шумов и от режима работы системы [86] , Флуктуации на выходе в рабочей полосе частот определяются не только действием источников шумов в этой полосе, но и преобразованием шумов из других частотных диапазонов, а также корреляцией между спектральными составляющими источников шумов В автогенераторах действуют несколько источников шумов, которые принято условно разделять на естественные и технические. Такое разделение шумов связано с их природой: естественные шумы принципиально не устранимы, в то время как величина и характеристики технических флуктуации существенно зависят от технологии изготовления приборов. Технические шумы, как правило, превалируют ва низких частотах анализа, причем их спектральная плотность изменяется по характерному закону $(fi )" /г % где / ! Существует значительное количество работ [16,34,44"] , в которых объясняется природа шумов 4/ 7 в различных автогенераторах: вакуумных, на полупроводниковых приборах, кварцевых и квантовых. Кроме того, предложен ряд универсальных моделей шумов // [lOt ИЗ] ; тем не менее полной теории, объясняющей их природу, в настоящее время не создано. Подробный обзор и анализ источников естественных шумов в различных автогенераторах проведен во многих работах [16,34,44,97] Следует отметить, что в различных долу-проводниковых приборах превалируют разные типы естественных шумов. Так в элементах, содержащих переходы (в туннельных диодах, транзисторах), тепловые шумы, обусловленные случайными изменениями скоростей носителей в результате столкновений с ионами кристаллической решетки, являются основными. Мощность этих шумов при охлаждении уменьшается. В полупроводниковых элементах " с горячими электронами11 температура электронного газа в сильном электрическом поле может существенно превышать температуру решетки. Так в диодах Ганна диффузионные шумы, связанные с переходом электронов из одной долины в другую, характеризуются эквивалентной шумовой температурой порядка 1400-30000 К [34] . В лавинно-пролетных диодах (ЛПД) основной вклад в шумы определяется флуктуациями тока лавины [34,46,74] . В инкекционно-цролетных диодах (ИПД) с проколом базы имеют место обычные тепловые шумы, на которые оказывают влияние эффекты, связанные с пространственным зарядом. Так как в ИПД не используется процесс ударной ионизации, они имеют лучшие, по сравнению с ЛПД шумовые параметры [ 98j » Сравнительный анализ шумовых характеристик автоколебательных: систем на различных полупроводниковых активных элементах дан в [87] .
Каковы бы ни были физические процессы, нарушающие стабильность частоты генерации и приводящие к конечной ширине спектральной линии реального автогенератора, теоретический анализ результатов их воздействия проводится несколькими основными методами.
Золи в системе существуют колебания с мощностью существенно большей мощности шумов, то анализ флуктуацконных характеристик производится, как правило, или методом укороченных уравнений, или переходом к линейной системе с периодически меняющимися параметрами [бб] . При использовании метода укороченных уравнений рассматриваются вызванные шумами приращения амплитуды и фазы колебания, которые предполагаются не только малыми, но и медленными функциями времени [33,34,56,77,107] . Поэтому данный метод позволяет рассматривать флуктуации лишь в достаточно узкой полосе вблизи несущей.
Характеристики стационарных режимов двух-контурной автоколебательной системы с комплексной связью между контурами
Наиболее простым и, следовательно, одним из самых распространенных методов повышения стабильности и улучшения шумовых характеристик автоколебательных систем является включение в нее внешнего высокодобротного резонатора. Применяющиеся при этом схемы представляют собой различные модификации метода затягивания частоты автоколебаний на добротном элементе. Они различаются по числу используемых резонаторов, типом связи мевду ними» местом вывода энергии сигнала. За последние года вопрос о физических процессах в многоконтурных автоколебательных системах широко дискутируется в литературе в связи с тем» что именно они применяются в качестве стабильных опорных генераторов [11,32, 88] , для систем сложения мощностей [28] и антенных фазовых решеток Г2?] .
Как правило, в автоколебательных системах СВЧ диапазона хорошо реализуются реактивные связи. В первоначально разработанных схемах активный и стабилизирующий резонаторы обменивались энергией через диафрагму связи - элемент, который на эквивалентной схеме с сосредоточенными параметрами может быть представлен емкостью или индуктивностью [і?ДІ0] . Такие схемы имели ряд недостатков: в первую очередь это - принщшиальная неоднозначность настройки, обусловленная характерной зависимостью частоты автоколебаний от парциальных частот контуров (график Вина [63]).
Кроме того, эффект стабилизации начинает сказываться в этом случае лишь на больших отстройках от точки совпадения парциаль - 45 ных частот контуров, что менее выгодно с энергетической точки зрения.
В 60-х годах появились теоретические работы [48j t в которых анализировались динамические характеристики трехконтурной реактивно связанной автоколебательной системы с точки зрения проблемы стабилизации. Рассмотрение таких схем в качестве эквивалентных для СВЧ генераторов, представляет особенный интерес, так как линия связи в системе с распределенныш параметрами имеет на собственных частотах значительную добротность и должна учитываться как дополнительная - третья степень свободы. Наличие дополнительной степени свободы приводит к появлению третьей устойчивой ветви нормальных частот, проходящей через точку совпадения парциальных частот контуров. Коэффициент стабилизации частоты на этой ветви автоколебаний может быть выше, чем в двух-контурной системе» так как взаимодействие двух контуров при совпадении их частот сильнее, чем при расстройке Как было показано в [48] использование в таких системах промежуточных контуров с резко пониженной добротностью позволяет повысить стабильность генерируемой частоты и обеспечить устойчивость автоколебаний на средней частотной ветви Такие трехконтурные системы с мало-добротным промежуточным контуром близки по характеру протекающих в них процессов к двухконтурным системам с резистивными связями, предложенным в [49] и получившим дальнейшее развитие в раде работ [25,28,117] Однако обобщение основных результатов этих работ на системы СВЧ диапазона возможно только для очень ограниченной области частот, когда вблизи резонансной частоты стабилизирующего высокодобротного резонатора справедливо использование упрощенной эквивалентной схемы, где промежуточная линия заменяется резистором связи. Тем не менее появился ряд работ [82,ш] , где без оговорок промежуточная линия рассматри - 46 валась как частотнонезависимая, т.е. резистивная связь. Этому во многом способствовало то обстоятельство, что в многоконтурных СВЧ генераторах с целью понижения добротности промежуточной линии связи и, тем самым, подавления нежелательных мод генерации часто используется» впервые предложенный в [.119] , способ, состоящий в помещении демпфирующего резистора в середине промежуточной линии [89,109,117] . Однако игнорирование при синтезе аналогичных систем того факта, что даже при малой добротности резонансного элемента связи (порядка нескольких единиц) комплексный характер связи при отстройке от его резонансной частоты существенно изменяет вад частотных кривых, может приводить к выбору неоптимальных параметров (см. подробнее в разделе 2 3. и рис. 14).
Дальнейшее развитие теория многоконтурных систем стабилизации получила в [36,66] , где анализируются динамические характеристики трехконтурнои реактивно связанной системы с существенно различными добротностями составляющих ее контуров.
Проведенные эксперименты с различного типа СШ генераторами, стабилизированными сверхпроводящими резонаторами по трехконтурнои схеме показали хорошее совпадение динамических процессов в этих генераторах с особенностями, предсказанными теорией (см, раздел 2,4.) [36,64,68] .
Однако, несмотря на значительное количество приведенных выше теоретических работ, в которых рассматриваются процессы в многоконтурных автоколебательных системах при определенных типах связи, а так&е работ, содержащих сравнительный анализ различных схем с точки зрения стабилизации частоты [2Q,73,88j , вопрос о динамических характеристиках многоконтурных систем при комплексных связях даже применительно к низкочастотным системам остается недостаточно изученым.
Экспериментальная установка для измерения спектральных характеристик ОВЧ генераторов с малым уровнем мощности
Выпиливание подложек ГТД производилось из монокристаллов сапфира, выращенных по методу Вернейля [5,35] и имевших малую концентрацию парамагнитных примесей (10" - ID вес.. Механическая обработка сапфира, в связи с его исключительной твердостью (9 по шкале Мооса), осуществлялась с помощью алмазного инструмента [ 35] , Напыление ниобиевых пленок толщиной 1,5 мкМ производилось в безмасляном вакууме I IQ 7 Торр на установках лаборатории Высоких энергий ОИЯИ в гор. Д бна. Добротность таких резонаторов составляла Qe & (2-5)-108 при Т 1,6 К [35,68] . Такое ниобие-вое покрытие обладает чрезвычайно высокой механической и химической стойкостью.
Так как величина собственной добротности промежуточного резонатора при гелиевых температурах была слишком большой -Qe si (5-10)-10 f то для получения оптимальных режимов стабилизации она понижалась внесением потерь с помощью щели в стенке резонатора (10 рис- 17), что позволяло получать We 70-100, ГТД в качестве активного элемента использовались туннель ные диоды ЗИ202Б со следующими характеристиками: Jma& 20 мА, ЧшяРЪМ ZfVmin 0,55 В, С J 2J 2 пФ, (-Д) 13,3 0м, $g я 2,1 Ом, Ag : 0,7 нГн (As% V ь V - соответственно собственная индуктивность, сопротивление потерь и емкость перехода туннельного диода).
Питание осуществлялось от источника напряжения с малым внутренним сопротивлением аккумулятора НК-50 с Э.Д.С, =1,25В. Напряжение контролировалось цифровым вольтметром В7-27 с точностью до ± 10 В и, в случае необходимости, вольтметром В7-23 с точностью до ± 10 В.
При реализации цепей питания предусматривался рдц мер по предотвращению генерации паразитных колебаний, определяющихся реактивными: параметрами внешних элементов; Так питающее напряжение подавалось с помощью полосковой линии с переменным волновым сопротивлением (17 на рис. 17) ж АС фильтра, исключающего низкочастотную генерацию.
Для предотвращения короткого замыкания напряжения смещения между крышкой генератора (12 на рис. 17) и торцом резонатора помещалась пластинка из слюды (18 на рис. 17) толщиной 20-30 шй, представляющая собой для СВЧ колебаний радиальную плоскую линию с переменным волновым сопротивлением. Такая конструкция при тщательном исполнении линии, ослабляла излучение из резонатора на 25-30 дБ.
Крепление крышки генератора на корпус промежуточного резонатора осуществлялось с помощью плотно посаженного текстолитового кольца (16 на рис. 17) в виде цанги. Крышка равномерно прижималась к торцу генератора четырьмя винтами, вворачиваемыми в резьбовые отверстия в цанге. Механическая подстройка частоты автогенератора при смене туннельных диодов, а также в рабочих условиях, осуществлялась винтовым короткозамыкающим поршнем (13 рис. 17). Фиксация ТД и, одновременно, подача на него гапря-жения смещения производились винтом (14 на рис. 17), проходящим по оси подстроенного поршня. Вывод СВЧ мощности из генератора осуществлялся петлей связи через припаянный к поршню разъем CP-50-II2 (15 рис. 17).
Чля исследования параметров ГТД при гелиевых температурах был применен стеклянный криостат, созданный по методике,описанной в [7б] . Криостат состоял из двух соосных двухстенннх сосудов Дйоара, изготовленных из молибденовых стеклянных цилиндров (марка стекла ЭС-5). Жидкий гелий находился во внутреннем сосуде, вмещавшем примерно 1,5 л гелия. Этого запаса хватало, в среднем, на 10-12 часов непрерывной работы. Гелиевый сосуд соединялся с металлической крышкой кряостата уплотнением из резиновой манжеты и помещался в наружный сосуд Дюара, наполненный жидким азотом. Оба сосуда были посеребрены, однако для возможности визуального наблюдения внутренней части криостата в каадом сосуде оставлялись по две непосеребренные сверху донизу вертикальные полосы. Исследуемый генератор закреплялся на текстолитовом кольце» подвешенном к верхней теплой крышке криостата (капке) на тонкостенных трубках из нержавеющей стали (толщина стенок ОД мМ) диаметром 5 мМ. В эти же трубки помещались подводящке провода питания и контроля напряжения смещения для системы калибровки. Подстройка частоты генератора и фиксация туннельного диода в рабочем состоянии осуществлялись механической подачей с помощью двойной тяги на короткозамыкащий поршень и фиксирующий винт» Тяги также исполнялись из тонкостенных трубок из нержавеющей стали диаметрами 5 и 3 мМ. Такая конструкция позволяла механически изменять частоту автономного генератора в диапазоне + I ГГц непосредственно в ходе эксперимента, не извлекая систему из гелиевой ванны. Однако при этом необходимо было следить за состоянием СВЧ кабеля связи, который вращался вместе с подстроеч-ным поршнем. Общий вид подвески криостата с прикрепленным к ней туннельным генератором показан на рис. 19.
Шумы при устойчивом многочастотном режиме работы трехроэонаторного генератора на туннельном диоде
Приведенные в главах 2 и 3 теоретический анализ и результаты экспериментальных исследований многорезонаторных венераторов свидетельствуют о тон, что при обеспечении постоянства собственной частоты стабилизирующего резонатора временные и спектральные характеристики таких автоколебательных систем могут быть предсказаны» исходя из параметров автономного генератора и известного коэффициента стабилизации. При этом исследовались лишь устойчивые одночастотные рекимы в специфических условиях, когда частоты автоколебаний генератора были разнесены на расстояния, превышающие на несколько порядков полосу анализа» Б результате, исследуемый многорезонаторный генератор в некоторой полосе расстроек представлялся в виде эквивалентного однорезонаторного.
Однако в таких автоколебательных системах, в силу их принципиальной многочастотности, физические процессы могут иметь некоторые характерные особенности, которые не были учтены в вышеизложенной теории и не проявились в эксперименте, К ним относятся возможность стационарной и нестационарной многомодовои генерации, а также непосредственное влияние многорезонансно с ти колебательной системы генератора на форму его спектральной линии уяе в одночастотном режиме. Изучение перечисленных эффектов представляет интерес ввиду того, что в общем случае эти факторы могут оказывать существенное воздействие на выходные параметры стабильных генераторов, и как самостоятельная задача для много-модовых генераторов.
Исследование особенностей спектральных характеристик многоконтурных автоколебательных систем, связанных со сложностью резонансных свойств стабилизирующих цепей практически не проводилось вплоть до настоящего времени По всей видимости такое положение объясняется тем, что общие формулы, описывающие поведение спектральных плотностей шумов в таких системах, чрезвычайно громоздки и трудно поддаются анализу, особенно при больших расстояниях от несущей [56] - Как правило, для случая естественных флуктуации даются только оценки ширины спектральной линии многоконтурного генератора.
Однако применение многоконтурных генераторов с высокой стабильностью частоты требует знания не только ширины спектральной линии, но и формы ее пьедестала. Эта необходимость обусловила появление в последнее время ряда работ, например [б?] , в которых предлагается метод исследования флуктуации в автоколебательных системах с одним нелинейным элементом и произвольной линейной многорезонансной цепью в одночастотном приближении при больших отстройках от несущей.
В этой работе на основе исследования уравнения движения, определяемого импедансом линейной узкополосной системы Z (си) и при учете комбинационного взаимодействия возмущающей систему спектральной компоненты источника шума Sg(u/) с другими спектральными компонентами получено выражение для спектральной плотности флуктуации мощности Sgfw) в такой автоколебательной системе: где Так как &{ш) совпадает с характеристическим уравнением устойчивости, то структура пьедестала спектральной линии ыногоконтур-ного генератора имеет отражение в значениях корней этого уравнения На частотах анализа, соответствующих отстройке от рабочей точки на генерируемой моде до области потери устойчивости и перехода на другую моду, должны возникать пики интенсивности шумов, обуоловленнне регенерирующими свойствами системы на этих частотах.
Алл экспериментального обнаружения этого эффекта на имеющейся установке необходимо было получить моды генерации, разнесенные максимум на 20 кГц.
Так как перестройка параметров в жесткой конструкции рассматривавшегося до сих пор трехконтурного генератора весьма . ограничена (связь с третьим контуром, как и его парциальная частота всегда постоянны, а изменение остальных параметров осуществляется протравливанием пленки серебра, нанесенной на первый и второй резонаторы - процесс в значительной степени необратимый), то для исследования изменений в пьедестале, связанных с
