Лабораторна робота №2

КЕРОВАНИЙ НВЧ-ГЕНЕРАТОР З ЛІНІЄЮ ЗАТРИМКИ НА МАГНІТОСТАТИЧНИХ ХВИЛЯХ У КОЛІ ЗВОРОТНОГО ЗВ'ЯЗКУ

Мета роботи:

Дослідження основних властивостей НВЧ генератора з вузькосмуговою лінією затримки на магнітостатичних хвилях (МСХ) у колі зворотного зв’язку.

ВСТУП

З удосконаленням радіолокаційних систем передачі інформації набуває все більшого значення проблема чистоти спектра джерел НВЧ сигналів. Мірою чистоти спектра є рівень фазових шумів. За оцінками експертів, мінімальні значення фазових шумів джерел сигналів, які необхідні для забезпечення роботи перспективних систем, становлять 100-110 дБ/Гц при відстроюванні від несучої частоти на 10 КГц.

В лабораторній роботі розглядається створений на основі МСХ-елементів НВЧ генератор, якій може конкурувати з іншими типами генераторів, що перестроюються по частоті, завдяки притаманному йому низькому рівню фазового шуму, широкому діапазону перестройки частоти та простоти конструкції.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Розглянемо класичний генератор, схему якого наведено на рис.1. Коефіцієнт передачі резонатора (тобто, МСХ фільтра) має вигляд: , де Т - крутість фазо-частотної характеристики, w_o - центральна частота, яка залежить від величини поля підмагнічування Н₀. Коефіцієнт передачі широкосмугової лінії затримки має наступний вигляд: , де k - хвильове число МСХ, L - довжина лінії затримки (ЛЗ) на МСХ.

Лінія затримки

Рис. 1 <

резонатор

підсилювач

U_out=f(U_inp)

I(w)exp(jkL)

R(w-w₀)exp[j(w-w₀)T]

Z

b

Y

a

H₀

Рис. 2

Умовами генерації НВЧ сигналів в наведеній схемі є:

1) набіг фази в усьому контурі має бути пропорційним 2p (рівняння балансу фаз):

(1)

де - час затримки у підсилювачі та з'єднувальних ланцюгах. З рівняння (1) отримаємо власні частоти генерації ,

2) підсилення має перебільшувати втрати (рівняння балансу амплітуд). В усталеному режимі генерації маємо:

(2)

де - смуга збудження генерації, - АЧХ підсилювача:

(3)

В рівнянні (3) коефіцієнти a, b підбираються емпірично. Знаючи амплітудно-частотну характеристику (АЧХ) кожного з елементів рівняння (2), можемо визначити смугу збудження .

Аналіз цієї моделі МСХ генератора, проведений з урахуванням нелінійності підсилювача та затримки в ньому, а також дисперсії МСХ, показав, що забезпечити перестроювання частоти в усій робочій смузі підсилювача без зривів генерації вдається за рахунок збільшення загального часу затримки в контурі генератора до величини . Ця умова рівнозначна вимозі зміни фази в смузі збудження . Як відомо, в класичному резонаторі величина по рівню “- 3 дБ” складає всього 90^o, тому МСХ генератор на одиночному резонаторі без ЛЗ має діапазон перестроювання частоти без зриву генерації, який визначається з рівняння (1):

звідки: (4)

Використання в генераторі багатокаскадних підсилювачів з t_y=2-3 нс обмежує декількома сотнями мегагерц.

В лабораторній роботі в якості частотозадаючого елемента використовується високодобротна вузькосмугова ЛЗ оригінальної конструкції. Для розгляду конкретної конструкції ЛЗ необхідно проаналізувати дисперсійні характеристики магнітостатичних хвилеводів, які використовуються в якості ЛЗ, та знайти прийнятний метод вузькополосної фільтрації.

МСХ-хвилевід - це структура, яка складається з одного чи декількох шарів монокристалічної епітаксійної плівки чистого чи заміненого ЗІГ, а також прошарків діелектрика та металу. Найпростіший хвилевід має форму паралелепіпеда із співвідношенням вимірів: c>>b>>s, де c - довжина хвилеводу, b - його ширина, s - висота, яка дорівнює товщині плівки.

Прийнятним наближенням для аналізу хвилевідного характеру розповсюдження МСХ є наближення геометричної оптики, згідно якому розповсюдження МСХ в хвилеводі можна розглядати як результат процесу багаторазового повного внутрішнього відбиття променів МСХ від бокових стінок хвилеводу. При цьому напрямок розповсюдження променя МСХ у кожній точці траєкторії збігається з напрямком хвилевого вектора (рис. 2).

Хвилевідна дисперсія як залежність модуля компоненти хвилевого числа вздовж вісі хвилеводу від частоти визначається з системи рівнянь:

(5)

Тут a - кут між віссю ОУ та віссю хвилеводу, - компоненти хвилевого вектора, які направлено вздовж та поперек вісі хвилеводу, m - номер ширинної моди. Вид функції F, яка описує спектр МСХ у необмеженому шарі фериту товщиною s, залежить від типу МСХ; остання обставина визначається взаємною орієнтацією напрямку зовнішнього магнітного сталого поля та площини y_o-z.

W

k_lons

0.1

W

k_lons

0.1

W

k_lons

0.1

Рис. 3 а

Рис. 3 б

Рис. 3 в

На рис.3а наведено результати розрахунків хвилевідної дисперсії прямих об'ємних МСХ (ПОМСХ) для хвилеводу шириною b=2 мм. Зовнішнє магнітне стале поле зорієнтовано перпендикулярно до площини хвилеводу. У цьому випадку маємо дисперсію, яка нагадує дисперсію в порожнистих хвилеводах: спектр при малих значеннях розщеплено на множину мод. Моди розподіляються на парні та непарні, дисперсія в них позитивна, для кожної моди існує частота відсічки та критична довжина хвилі.

Xвилевідна дисперсія МСХ у випадку дотичного намагнічування хвилеводу суттєво залежить від кута орієнтації його вісі відносно напрямку зовнішнього магнітного поля (кут a). Розглянемо два випадки:

1) Магнітне поле спрямовано вздовж вісі хвилеводу (рис.3б), маємо справу з зворотними об'ємними МСХ (ЗОМСХ). Спектр має модову структуру з парними та непарними модами та від'ємною дисперсією; для кожної з мод відсутня частота відсічки, тобто кожна з мод існує у тому ж частотному діапазоні, що й ЗОМСХ в необмеженому феритовому шарі.

2) Магнітне поле спрямовано поперек вісі хвилеводу (рис.3в), маємо справу з поверхневими МСХ (ПМСХ). Спектр має модову структуру з парними та непарними модами та позитивною дисперсією. Для кожної моди існує частота відсічки, яке зменшується із збільшенням номеру моди.

Дата добавления: 2015-11-16