Слаботочка Книги

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [40] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

мым в ГЛПД [23-26]. Наибольший диапазон перестройки частоты (до октавы и более) получается механической перестройкой резонатора, электрическая перестройка с помощью варактора или феррита обеспечивает А/ол гср от единиц до 10-157о или даже до нескольких десятков процентов; наименьшая величина Д/эл получается при изменении напряжения питания Со(Д/ал гср -десятые доли процента), однако при создании специальной формы пластины полупроводника зависимость fr(Uo) существенно возрастает [22-26]. Выходная мощность ГДОЭ см волн лежит в пределах от ~-10 мет до нескольких сот милливатт; на мм волнах получены Рвых от единиц до нескольких десятков милливатт ;[23, 24]. Напряжения Uo лежат в пределах от единиц до 10-15 в. При этом ток /о100-f-500 ма. Изменение температуры /„кр влияет на значения fr и Рвых-На см волнах ТКЧ составляет десятые доли Мгц/град. Флуктуационные шумы ГДОЭ по имеющимся данным [21, 23, 24] на см волнах соизмеримы с уровнем шумов клистронов соответствующего диапазона волн.

4.5. Выбор типа гетеродина

Выбор типа гетеродина зависит от конкретных условий его использования и требований к нему: по необходимой мощности Рвых (определяемой числом смесителей СВЧ устройства и типом смесительных диодов); по необходимому диапазону перестройки Afpao и требуемой скорости перестройки (быстрой или медленной); по требуемым долговечности, экономичности питания, габаритам и весу и т. д. При этом необходимо учитывать следующие отличительные особенности рассмотренных типов гетеродинов см и мм волн.

Отражательные клистроны в ряде применений являются отличными гетеродинами: они технологически наиболее отработаны, имеют малые габариты и вес, в большинстве случаев обеспечивают достаточные мощности Рвых и диапазон Afpa5, обладают наименьшим уровнем шумов. Поэтому они и получили наиболее широкое распространение. Их недостатками являются: необходимость относительно высоковольтного источника питания, а на мм волнах высоковольтного источника и принудительного воздупшого охлаждения, увеличивающие габариты ii пес; недостаточность в ряде случаев диапазона 250

Afэл и необходимость использования в связи с этим электронно-механических систем АПЧ вместо электронных.

Из всех типов гетеродинов наибольшим диапазоном Д/эл обладают ЛОВ, которые поэтому целесообразно использовать в тех случаях, когда требуется быстрая и • широкополосная перестройка /г. Вместе с тем ЛОВ отличаются большими перепадами мощности Рвых и крутизны 5эл в диапазоне перестройки. Из двух основных разновидностей ЛОВ (с магнитной и электростатической фокусировками) ЛОВ-ЭФ является более предпочтительной для применения в РЛС, особенно в бортовых, т. к. по своим габаритам и весу она, в отличие от ЛОВ-МФ, близка к клистрону. В некоторых случаях, при работе ЛОВ в ограниченной полосе частот А/раб <Д/эл. достаточной для многих РЛС, перепады Рвых и 5эл могут быть заметно меньше перепадов этих параметров во всем диапазоне Д/эл- В подобных случаях использование ЛОВ-ЭФ с точки зрения показателей всей системы АПЧ может оказаться не менее выгодным, чем использование клистрона, даже в РЛС без широкополосной перестройки передатчика (например, если параметры клистрона таковы, что требуется использовать электронно-механическую систему АПЧ).

Однако в большинстве случаев следует стремиться применять полупроводниковые гетеродины, являющиеся потенциально (и во многих случаях практически) наиболее малогабаритными, экономичными и надежными гетеродинами. Такой подход особенно необходим при создании миниатюрных интегральных микрополосковых СВЧ устройств. Интересные примеры разработки таких устройств с электрически перестраиваемыми полупроводниковыми гетеродинами на основе использования транзисторно-варакторной цепочки и диодов с объемным эффектом описаны в [15 и 26] соответственно.

На см и мм волнах можно ориентироваться в основном на использование транзисторно-варакторных цепочек, ГЛПД и ГДОЭ. Первые из них, обладая малыми шумами, являются более сложными по сравнению с ГЛПД и ГДОЭ и наименее подходящими для широкополосной перестройки /г. Кроме того, с ними еще трудно получить на мм волнах мощность Рвых порядка Юмвт и более. ГЛПД, будучи почти во всех отношениях подходящим полупроводниковым гетеродином, обладает весьма существенным недостатком - высоким уровнем

Шумов. (В последние годы разработаны ЛПД из GaAs, имеющие значительно меньшие шумы, чем ЛПД из Ge и Si [19-21].) Для исключения влияния последних на коэффициент шума смесителя во многих случаях недо-•статочно применять балансную схему последнего. Необходимо эти шумы дополнительно ослабить включением между БС и ГЛПД узкополосного электрически перестраиваемого СВЧ фильтра (например, ферритового фильтра на железо-иттриевом гранате), который должен перестраиваться синхронно с перестройкой fr. Это не всегда возможно и значительно ограничивает область применения ГЛПД при /пч>0,1 Мгц. Наоборот, для допплеровских РЛС с частотой /пч<20-ь30 кгц ГЛПД является весьма подходящим гетеродином, т. к. на этих /пч АМ-шумы ГЛПД соизмеримы с шумами клистронов. Следует также учитывать, что ГЛПД можно успешно использовать в качестве генератора накачки ППУ.

Из перечисленных полупроводниковых гетеродинов от каких-либо принципиальных ограничений для использования свободны ГДОЭ, т. к. они отличаются малым уровнем шумов и малыми габаритами, относительной простотой конструкции и достаточным диапазоном перестройки. ГДОЭ особенно перспективны для мм волн, на которых они в режиме ОНОЗ принципиально позволяют получать значительные мощности Рвых. Однако в настоящее время еще не преодолены все технологические трудности, которые возникают при промышленном выпуске ДОЭ и не решены еще все проблемы обеспечения их длительной и надежной работы.

Глава пятая

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СВЧ УСТРОЙСТВА

5.1. СВЧ мосты

В состав СВЧУ радиолокационного приемника нередко входит большое число различных вспомогательных функциональных СВЧ элементов, основными из них являются СВЧ мосты, ослабители мощности и маломощные оконечные согласованные нагрузки. Общими требованиями, предъявляемыми ко всем этим элементам, являются: хорошее согласование (низкий КСВ) в широкой полосе частот, малые изменения параметров в рабочей полосе частот (развязка, ослабление и др.), температурная стабильность их, а также простота конструкции и малые габариты. Устройство и характеристики перечисленных элементов рассмотрим на примере волноводных конструкций, поскольку они применяются как на см, так и на мм волнах. Попутно будут указаны конструктивные формы этих элементов при использовании других типов линий передач.

СВЧ мосты (или гибридные соединения) относятся к числу самых распространенных СВЧ элементов, применяемых в современных СВЧ устройствах. Они используются для создания балансных АП (см. § 1.4), ферритовых циркуляторов (см. § 1.5), балансных смесителей (см. § 2.4) и в качестве делителей мощности пополам. Все СВЧ мосты являются четырехплечными соединениями (восьмиполюсниками), обладающими рядом общих свойств. Кратко рассмотрим эти свойства.

В идеальном случае при подаче СВЧ колебаний в одно из плеч моста их мощность распределяется поровну между определенной парой двух других плеч, а в четвертое плечо, называемое изолированным, или развязанным, мощность не поступает (предполагается, что все плечи моста нагружены на согласованные нагрузки). Г1одчерк-нем, что пара плеч, между которыми распределяется мощность, также обладает взаимной развязкой. Сдвиг

фаз колебаний фо в плечах, куда поступает мощность, в зависимости от типа моста равен либо л/2, либо п (или 0). Из-за неидеальности свойств реальных мостов мощность входного сигнала распределяется между двумя плечами не строго одинаково, а сдвиг фаз колебаний в этих плечах несколько отличается от вышеуказанного.

Неравномерность распределения мощности б = = PiBbix/P2Bbix назовем разбалансом амплитуд моста, а отличие фазового сдвига колебаний от идеального Аф= (iJJiBbix-фгвых)-iIjo -разбалансож фаз (фо-я/2 либо л, 0). Обычно б выражают в децибелах. Наряду с разбалансами амплитуд и фаз, реальные маеты характеризуют также величиной КСВ всех плеч (р) и развязкой

изолированного плеча -раз= Ю IgPax/Pua (дб), где Рвх.

Рпз - подводимая к мосту и выходящая из изолированного плеча мощности соответственно. Эти параметры моста являются частотозависимыми, поэтому мост характеризуют максимальными значениями бмакс. Афмакс. Рмакс

и минимальной развязкой /.раз мин в рабочей полосе частот А/раб- При точных расчетах потерь следует учитывать также потери моста L„ = Рвх/(Pisbix-f Ргвых), достигающие десятых долей децибела, а при его использовании в БАП или ФАП важна также электрическая прочность моста, характеризуемая максимально допустимой

рабочей импульсной мощностью Римакс РзССМОтрИМ

основные свойства СВЧ мостов на примере наиболее распространенных из них [I-8, 25].

Щелевые мосты (ЩМ) относятся к наиболее распространенным типам волиоводных мостов и представляют собой два параллельных отрезка волновода, сложенных вместе по узкой или широкой стенке, которая является для них общей и содержит щель связи (рис. 5.1). В силу полной симметрии конструкции ЩМ его свойства одинаковы со стороны любого плеча. Различают ЩМ со связью по узкой или по широкой стенке. Последний тип моста не получил распространения, так как конструктивно и технологически он более сложен и обладает несколько меньшей электрической прочностью по сравнению с щелевым мостом со связью по узкой стенке. ЩМ со связью по широкой стенке рассматриваются в [4, 6, 9].

ЩМ со связью по узкой стенке (далее имеем в виду только этот тип ЩМ) (рис. 5.1, 5.2, 5.4) является наиболее компактным, малогабаритным, а также конструктивно и технологически наиболее простым типом моста,

обладающим хорошими электрическими параметрами. Это и обусловило его широкое распространение. При подаче мощности в любое плечо, например в плечо / (рис. 5.1,6), она распределяется между плечами 3, 4 и не поступает в плечо 2 (смежные плечи ЩМ, как будет видно из дальнейшего, взаимно развязаны). Сдвиг фаз колебаний в плечах 3, 4 равен 90°, причем фаза в плече 3 является опережающей [1, 6, 8-10].

Рис. 5.1. Щелевой мост со связью по узкой стенке:

о) схематическое изображение; б) картина возбуждения ЩМ двумя типами волн и векторные диаграммы напряженности электрического поля Е\, £2 этих волн в плечах 1-4 моста; 5 - щель связи; 6 -емкостный винт для настройки ЩМ; 7,8 - распределение напряженности электрического поля в плечах / н 2 для синфазной и противофазной волн, соответствующее аозбужденню в щели волн типов Я,о и Яго.

Эти свойства ЩМ объясняются возбуждением и распространением в обще.м волноводе участка связп, представляющем собой прямоугольный волновод приблизительно удвоенной ширины по сравнению с исходным, двух типов волн: Я)о v Но, которые затем вновь объединяются в плечах 3, 4 и иолиу Яю. Возникновение этих типов

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 [40] 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51