2.5. Источники опорных колебаний свч диапазона

Для автогенераторов СВЧ используются дополнительные по сравнению с кварцевыми генераторами параметры качества. В частности, влияние на частоту фазы коэффициента отражения характеризуется коэффициентом затягивания частоты (в англоязычной терминологии – frequency pulling) – разностью в мегагерцах между максимальным и минимальным значениями частоты для всех возможных значений фазы коэффициента отражения при коэффициенте стоячей волны КСВ = 2. Например, для хорошего интегрального генератора диапазона 100 МГц величина коэффициента затягивания частоты может составлять (50…70) кГц, а для управляемого по частоте генератора миллиметрового диапазона со средней частотой около 20 ГГц такая величина составляет (1…5) МГц. Вариации частоты опорного генератора СВЧ при изменениях питающего напряжения характеризуются чувствительностью к вариациям напряжения питания (в англоязычной терминологии – frequency pushing), которая измеряется в [Гц/В] при номинальной температуре и согласованной нагрузке. Для опорного бескварцевого генератора среднего качества диапазона 100 МГц такая величина может составлять (10…30) кГц/ В, а для генератора диапазона 15 ГГц указанная чувствительность возрастает до (10…30) МГц.

Для стабилизации частоты колебаний автогенераторов СВЧ диапазона применяют, в дополнение к основной колебательной системе стабилизирующие частоту элементы: линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), сферы из железо-иттриевого граната в магнитном поле (ЖИГ-перестройка частоты), диэлектрические резонаторы из лейкосапфира или других высокодобротных диэлектриков, сверхпроводящие полые металлические резонаторы в сосудах с глубоким охлаждением.

Резонаторы с использованием поверхностных акустических волн (ПАВ) могут иметь добротность порядка нескольких тысяч. Автогенераторы на ПАВ выделяются повышенной до +10…+23 дБмВт выходной мощностью и малым уровнем фазовых шумов. Пример зависимости СПМ фазового шума вблизи несущей частоты S_(F) для таких генераторов был приведён на рис. 2.2.

Использование высокодобротных дисковых диэлектрических резонаторов позволяет поднять выходную частоту генераторов с относительной нестабильностью частоты порядка 1-5 млн^-1 до 30 ГГц. На основе таких резонаторов, выполненных из лейкосапфира созданы генераторы фиксированных частот диапазона (8…10) ГГц с выходной мощностью +13 дБмВт, имеющие исключительно низкие фазовые шумы вблизи несущей частоты. Техника дисковых диэлектрических резонаторов СВЧ позволяет создавать генераторы со стабильностью, превышающей достигнутую в кварцевых и даже атомных устройствах. Препятствием здесь служат проблемы повторяемости значения частоты от одного экземпляра резонатора к другому, стоимость материала и изготовления из него резонатора.

Резонаторы на железо-иттриевом гранате (ЖИГ) имеют сферическую форму и эквивалентную добротность порядка нескольких тысяч, поэтому они обеспечивают нестабильность частоты порядка 10 млн^-1 при возможности электронной перестройки на октаву и более изменением тока подмагничивания. Специфическим параметром таких генераторов является допустимый уровень гистерезиса, то есть. разности резонансных частот при изменении направления перестройки стабилизирующего резонатора. Например, при рабочей частоте около 3 ГГц скачок частоты из-за гистерезиса при изменении направления перестройки частоты может составлять 10-20 МГц. Кроме того, схемы управления током подмагничивания имеют невысокую граничную частоту полосы пропускания по частотам модуляции порядка единиц или десятков килогерц, а конструкция управителя частотой усложнена необходимостью размещения ЖИГ-резонатора и источника управляемого магнитного поля в СВЧ тракте. Поэтому перестраиваемые по частоте с помощью ЖИГ-резонаторов автогенераторы применяются главным образом в панорамных анализаторах спектра, в измерительных приёмниках, в сканирующих устройствах радиомониторинга или в генераторах помех, где допустим режим сравнительно медленного и монотонного изменения сигнала, управляющего частотой.

Автогенераторы миллиметрового диапазона длин волн с частотой до (100…220) ГГц используют в качестве активного элемента арсенид-галлиевые полевые транзисторы, диоды Ганна и лавинно-пролётные диоды, что позволяет получить мощность до +30 дБм при относительной нестабильности частоты порядка сотых долей процента.

Использование сверхпроводящих резонаторов позволяет обеспечить сверхвысокую стабильность частоты генерации (относительная нестабильность частоты порядка 10^-16), превышающую достигнутую для атомных стандартов частоты. Однако повторяемость частоты от одного экземпляра к другому оказывается недостаточной, а конструкция для поддержания режима сверхпроводимости слишком сложна.

К опорным генераторам примыкает примыкает группа электронных фазостабильных компонентов, которые служат для переноса стабильности частоты в диапазон СВЧ: умножители частоты высокой кратности и системы фазовой автоподстройки частоты. В отличие от компонентов типовых синтезаторов сетки стабильных частот, рассмотренных ниже в главах 3 - 5, в таких узлах отсутствуют средства организации мелкого шага по частоте: нужный номинал выходной частоты задается частотой кварцевого резонатора. За счет такого упрощения внутренней структуры собственный вклад этих компонентов в фазовые нестабильности небольшой. Выпускаются модели широкополосных умножителей частоты с кратностью от 2 до 64 при выходной частоте до 96 ГГц и мощности до +10 дБмВт. Умножение частоты производится либо за счёт её преобразования на нелинейной ёмкости варактора, либо в системе фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ с фиксированным делителем частоты подстраиваемого автогенератора. В последнем случае схема снабжается индикатором отсутствия режима биений за пределами полосы захвата и схемой ускоренного поиска зоны синхронизма.