Автогенераторы ВЧ и СВЧ гармонических колебаний

Автогенераторы — автономные устройства, преобразующие энергию источников питания в высокочастотный сигнал гармонической формы. Применение автогенераторов на мощных ПТ в ряде случаев упрощает конструкцию различных устройств, например систем охранной сигнализации, простых радиопередатчиков, автогенераторных датчиков и т. д. Энергетические соотношения и частотные ограничения у автогенераторов в основном те же, что и у УМ.

Рис. 9.55. Схема LC-генератора с трансформаторной обратной связью

Простейшая схема LC-генератора с трансформаторной обратной связью приведена на рис. 9.55.

Практическая схема генератора (рис. 9.61) на транзисторе КП901А в диапазоне частот 30 ... 80 МГц обеспечивала Рвых = 2,5 Вт. Подобная схема на транзисторе КП904А имела Рвых=20 Вт на частоте fо=4 МГц и U_n = 52 В (потребляемая мощность 36,4 Вт, рассеиваемая 15 Вт). Значения L₂ = 5,6 МГн, С2 = 760 пФ, R=2 Ома.

Схема рис. 9 55 обычно используется на частотах до 50...100 МГц. На более высоких частотах осуществление трансформаторной связи затруднено и применяются схемы индуктивной (рис. 9.59, а) и емкостной (рис. 9.59, б) трехточек.

Схема на рис. 9.59, а может применяться в любом частотном диапазоне, но особенно удобна для СВЧ-диапазона. При этом контур вырождается в

Рис. 9.61. Высокочастотный автогенератор с уровнем выходной мощности единицы—десятки ватт

Рис. 9 59 Автогенераторы, собранные по схемам индуктивной (а) н емкостной (б) трехточки

вытянутую полупетлю из медного посеребренного провода. Недостатком схемы является отсутствие заземления (по высокой частоте) конденсатора С контура. Этот недостаток устранен у схемы на рис. 9.59,б, но у нее (из-за шунтирования контура делителем обратной связи С1С2) снижаются пределы перестройки по частоте изменением емкости С.

В дальнейшем был разработан ряд подобных схем на GaAs МПТШ с электронной перестройкой частоты с помощью варикапов. Так, в [184] описан СВЧ-генератор на GaAs МПТШ АП602 с обращенным каналом. Такое включение облегчает создание положительной обратной связи при заземленном стоке (рис. 9.62). Индуктивность последовательного контура в цепи затвора образована как внешней индуктивностью L, так и паразитными индуктивностями затвора и варикапа, используемого для электронной перестройки частоты.

Рис. 9 62. Автогенератор на транзисторе АП602 с обращенным каналом

На рис. 9.63 представлены зависимости мощности Р_вых и необходимого напряжения иа варикапе dUв от отклонения частоты f—fо. При изменении Uв от 0 до 50 В было получено перекрытие по емкости варикапа, равное 6. Крутизна модуляционной характеристики изменялась до 4...5 раз. Потребляемая генератором мощность 0,6 Вт, КПД около 5%.

Рис. 9.63. Зависимость выходной мощности н необходимого напряжения смещения варикапа от девиации частот

В [185] описаны генераторы с октавным (т. е. двойным) перекрытием по частоте. Однотактный генератор (рис. 9.64, а) использует для управления частотой встречно включенные варикапы, что обусловливает меньшую зависимость их емкости от амплитуды переменного напряжения на варикапах. Контур в цепи затвора разделен на две части отрезком микрополосковой линии. Импеданс цепи затвора носит индуктивный характер.

При fо= 500 МГц получен коэффициент перекрытия по частоте К_f = 2,1 при изменении управляющего напряжения Uсм от 2 до 25 В. Зависимость выходной мощности Рвых и частоты f от напряжения Uсм дана на рис. 9.64, б. Крутизна модуляционной характеристики изменяется не более чем в 3,5 раза. Выходная мощность генератора Р=17±2,5 дБ, КПД меняется от 3 до 7% при Uп =20 В (транзистор КП905А). Уровень высших гармоник достигает 20%.

Двухтактная схема генератора (рис. 9.65) обеспечивает эффективное подавление всех четных гармоник. Это уменьшает уровень высших гармоник

Рис. 9.65. Двухтактная схема автогенератора на МДП-транзисторах

на выходе генератором. Зависимость f от управляющего напряжения Uсм для этой схемы дана на рис. 9.66. Коэффициент перекрытия по частоте Кf = wв/w_н= 1,85, изменение крутизны модуляционной характеристики достигает 5 раз и более.

Вопросы проектирования СВЧ-генераторов вида на рис. 9.67 (цепи питания не показаны) рассматриваются в [186]. Показано, что колебания возникают только при инверсном включении транзисторов. Для транзисторов ЗП602А была получена частота генерации fo= = 5 ГГц при выходной мощности 30 МВт.

Представляет интерес применение в автогенераторах нового типа двухзатворных полевых транзисторов Шотки. На рис. 9.68 представлена схема автогенератора иа частоте fo=8,6 ГГц. Генератор работает в импульсном режиме и используется в доплеровском радиолокаторе. По сравнению со схемой на диодах Гаина эта схема обеспечивает лучшую стабильность частоты. Схема на рис. 9.69 совмещает в себе функцию генератора и утроителя частоты. Конструкция на тетроде с длиной затвора 1 мкм позволила получить частоту генерации до 22 ГГц.

Рис. 9 66. Зависимость частоты от управляющего напряжения для схемы рис. 9.65

Рис. 9.67. Автогенератор с колебательными цепями в виде отрезков длинной линии (а) и его функциональная схема (б)

Рис. 9.69. Схема совмещения функции генератора и утроителя частоты для диапазона частот до 22 ГГц

Рис. 9.68. Генератор с рабочей частотой f₀=8,6 ГГц иа двухзатвориом полевом транзисторе с барьером Шотки

На низких частотах при большой выходной мощности (единицы—десятки ватт) в генераторах можно использовать ненасыщающиеся составные транзисторы [64], в которых мощный ПТ управляет более мощным биполярным транзистором. В [187] описана схема кварцевого генератора (рис. 9.70)

Рис. 9.70. Кварцевый автогенератор на составном (полевой-биполярный) транзисторах

на основе составного транзистора. На рис. 9.71 представлены зависимости потребляемого тока и выходной мощности от температуры. Максимальные изменения этих параметров не превышали 2,3 и 3,5% соответственно при изменении температуры от 25 до 70° С. При угле отсечки тока стока 0 = 70' С генератор обеспечил получение выходной мощности 10 Вт при общем КПД 65%. Частота генерации 7,41 МГц, среднестатическая часовая нестабильность частоты не превышала 2-10~⁷.

Рис. 9.72. Уровни фазовых шумов автогенераторов на мощных ПТШ (1), СВЧ-биполярyых транзисторах (2) и диодах Ганна (5).

Рис. 9.71. Зависимости потребляемого тока (1) и выходной мощности (2) от температуры окружающей ^реды

Таким образом, автогенераторы на мощных ПТ перекрывают практически все используемые диапазоны частот. Для ряда применений важное значение имеют уровни фазовых шумов автогенераторов. Как вытекает из рис. 9.72, по этому параметру СВЧ-геyнраторы на GaAs мощных ПТШ уступают генераторам на СВЧ-биполярных транзисторах и диодах Ганна. Ожидается уменьшение уровня модуляционных шумов на 20 дБ при разработке мощных ПТШ с субмикронной длиной канала [188].

Дьяконов В.П. Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах