Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта

Измерительные генераторы СВЧ

Печать

Измерительные генераторы сигналов диапазона 300 МГц...40 ГГц предназначены для измерения чувствительности приемных устройств СВЧ диапазона, исследования диаграмм направленности антенн, измерения параметров элементов высокочастотных трактов радиорелейных линий и телевизионных ретрансляторов.

Измерительные генераторы СВЧ должны обеспечивать работу с различными видами модуляции несущей, к ним предъявляются достаточно жесткие требования по экранированию СВЧ излучения.

Типичная структурная схема измерительного генератора СВЧ представлена на рисунке ниже. В качестве активного элемента задающего генератора до настоящего времени используют отражательные клистроны, снабженные внешним (в диапазоне частот 7...8 ГГц) или внутренним объемным резонатором, являющимся эквивалентом колебательного контура. Геометрическая форма, размеры и материал резонатора определяют частоту генерации. Перестройка частоты осуществляется изменением геометрических размеров резонатора путем перемещения внутри него замыкающих перемычек или упругой деформации самого резонатора. В небольших пределах частоту можно изменять электрическим образом — изменяя напряжение на отражателе клистрона.

Измерительный генератор СВЧ

Аналогично изменяя режим работы клистрона, можно также реализовать частотную и амплитудно-импульсную модуляцию несущей частоты.

Для генераторов СВЧ на клистронах характерен небольшой коэффициент перекрытия по частоте (1,1...2), что связано с ограниченными возможностями перестройки частоты задающих генераторов с объемными резонаторами. Поэтому такие генераторы либо выпускают в виде серий однотипных приборов, рассчитанные на требуемые участки всего СВЧ диапазона, либо в виде одного прибора, но с несколькими задающими генераторами.

Задающие генераторы СВЧ на отражательных клистронах имеют достаточно громоздкую конструкцию и требуют больших и стабильных напряжений питания. В последнее время все чаще в качестве активных элементов задающих генераторов СВЧ используют диоды Ганна — полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия. При определенном напряжении питания диод Ганна представляет собой отрицательное сопротивление, что приводит к возбуждению в подключенном к диоду объемном резонаторе СВЧ колебаний.

Для работы в нижней части рассматриваемого диапазона частот (ниже 8...10 ГГц) в настоящее время уже созданы СВЧ транзисторы, которые тоже начинают использовать в качестве активных элементов задающих генераторов.

Стабильность частоты задающих генераторов СВЧ определяется стабильностью механических параметров объемных резонаторов, электрического и температурного режимов активного элемента. Для часто используемых коаксиальных резонаторов из латуни кратковременная нестабильность частоты имеет порядок 10-4. Одним из современных технических решений является использование сферических ферритовых объемных резонаторов из ферромагнитного кристалла железоиттриевого граната, помещенного в магнитное поле (ЖИГ-резонаторов). Кратковременная нестабильность частоты таких генераторов менее 10-6. Изменением напряженности внешнего магнитного поля можно широко перестраивать ЖИГ-резонаторы (коэффициент перекрытия до 2) и производить частотную модуляцию.

Как правило, в диапазоне СВЧ используют самые различные виды модуляции: амплитудную и частотную низкочастотным сигналом, амплитудно- и частотно-импульсную при различной скважности импульсов и т. п. Следует отметить, что модуляция несущей изменением режима работы задающего генератора обычно связана с появлением паразитной модуляции: например, амплитудная модуляция приводит к появлению паразитной частотной и наоборот. Поэтому в современных измерительных генераторах амплитудную модуляцию осуществляют на выходе прибора.

Установочным аттенюатором регулируют уровень сигнала, поступающего на вход направленного ответвителя, который разделяет поток высокочастотной энергии на две части. К одному выходу направленного ответвителя, являющемуся некалиброванным выходом измерительного генератора, подключается встроенный (или внешний) частотомер гетеродинного типа. С другого выхода направленного ответвителя сигнал подается на основной калиброванный выход прибора.

Для создания аттенюаторов СВЧ обычно используют явление затухания сигнала в так называемом предельном волноводе.

В настоящее время в качестве аттенюатора СВЧ все шире начинают использовать полупроводниковые p—i—n-диоды. Принцип действия такого аттенюатора заключается в том, что под действием управляющего тока р—i—n-диод открывается и шунтирует мощность СВЧ сигнала пропорционально значению управляющего тока. При отсутствии управляющего тока p—i—n-диод закрывается и вносит в тракт СВЧ лишь незначительное начальное ослабление.

Измеритель мощности вместе с установочным аттенюатором позволяет установить опорный уровень выходной мощности, относительно которого производится ослабление выходного сигнала калиброванным аттенюатором. В СВЧ диапазоне уровень выходного сигнала оценивают именно по мощности, а не по напряжению или току, поскольку размеры входных и выходных цепей приборов соизмеримы с длиной волны. Небольшое отличие полных сопротивлений источника и нагрузки от характеристического сопротивления передающего тракта приведет к неоднозначности оценки напряжения вдоль линии передачи. Измерение напряжения в волноводах вообще лишено практического смысла. Мощность же, передаваемая в нагрузку без потерь, является величиной постоянной в любом сечении тракта СВЧ и поэтому позволяет оценить уровень сигнала более точно.

Измеритель мощности СВЧ сигнала размещается внутри измерительного генератора, однако обычно имеет отдельный вход. Его можно подключить к основному выходу через внешний разъем с помощью кабеля. Используя измеритель мощности, можно выделить управляющий сигнал для системы АРУ, которая, воздействуя на p—i—n-аттенюатор, будет поддерживать постоянную мощность либо на выходе генератора, либо в требуемой точке измерительной схемы, включающей исследуемый объект.