Главная > СВЧ, ультразвук, аккустика > Техника сверхвысоких частот. Том 2
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

16.3.2. Генерирование гармоник

Трудность непосредственного генерирования миллиметровых волн, поскольку это относится к использованию их для измерительных целей или в качестве напряжения местного гетеродина, можно преодолеть путем генерирования гармоник [353]. Такие электронные лампы, как отражательный [13] и многорезонаторный клистроны, магнетроны и карсинотроны, дают на гармониках малую мощность [397]. В умножителе частоты с бегущей волной используется [12] две спирали каскадно. На вход его подаются частоты в диапазоне а дисперсный характер выходной спирали позволяет с помощью электронной настройки выделять нужную гармонику. Возможно получить коэффициент умножения до 15 при достаточном усилении и при мощности на выходе до а коэффициенты до 40 при мощности в несколько милливатт. Умножение частоты можно также получить с помощью клистрона, у которого выходной резонатор настроен на частоту гармоники.

В генераторах гармоник обычно используются нелинейные элементы, например, с вольтамперной характеристикой, присущей катодам с холодной эмиссией [72]. От точечных эмиттеров с площадью можно получить ток около мощностью в импульсе порядка Благодаря отсутствию заметных сдвигов по времени нелинейная форма эмиссионной характеристики сохраняется и на очень высоких частотах. На практике эмиттер подвергается одновременному воздействию постоянного напряжения смещения и синусоидального напряжения примерно с той же амплитудой. Ток течет короткими импульсами и поэтому содержит много гармоник. Максимально достижимая амплитуда гармоники порядка изменяется пропорционально Для ток гармоники обычно составляет около трети среднеквадратичного значения, которое ограничивается величиной допустимого нагрева эмиттера.

Были созданы подобные генераторы гармоник на базе электрической дуги с жидким ртутным катодом [78], при этом на вход подавалось напряжение с частотой [79, 372]. В

усовершенствованных моделях [373] на частоте дуга поддерживалась между анодом из вольфрамовой проволоки и катодом, состоящим из тонкой пластины кальция. Распыление уменьшалось благодаря помещению электродов в аргон с давлением 20 атм. Выходное напряжение гармоники снималось через вспомогательный волновод, при этом на частоте была получена мощность Применяются также газоразрядные лампы [315, 316].

Удвоение частоты достигалось [7, 398, 399, 404] с помощью намагниченного феррита; поперечные составляющие намагниченности в общем не являются одинаковыми и вектор суммарной намагниченности прецессирует по эллиптической кривой, как показано на рис. 16.17, а.

Рис. 16. 17. Удвоение частоты с ферритами: а — прецессия вектора намагничивания при ; б - типичное волноводное устройство; в — характеристика для одного типа и формы феррита, (См. [158].)

На рисунке видно, что, поскольку длина вектора является постоянной, его проекция на ось должна иметь высокочастотную составляющую намагниченности на удвоенной частоте возбуждающего поля. Уравнения движения показывают, что пиковая мощность гармоники на выходе изменяется пропорционально квадрату пиковой мощности основной частоты на входе. На рис. 16.17, б показана практическая конструкция удвоителя частоты 9 Ггц, разработанная Мэлчером, Айресом и Вартаньяном [158]. В феррите генерируется гармоника с поляризацией электрического поля в плоскости Н основного волновода, причем выходной сигнал снимается через ступенчатый переход. Для согласования на частоте гармоники включается диэлектрический фазовращатель.

Были исследованы ферриты различных форм и видов; результаты измерений феррита типа феррамик R1 в форме полудиска приведены на рис. 16.17, в. Мощность на выходе определяется законом

степени 1,8: такое отклонение от квадратичного закона объяснялось преобразованием в энергию более высоких гармоник. Этот тип генератора гармоник пригоден для генерирования только больших мощностей, и область его применения может быть расширена до миллиметровых волн. Для генерирования гармоник очень важным свойством материала является отношение намагниченности к ширине линии; с ферритом типа феррамик при импульсном сигнале на входе с частотой на частоте была получена [8] выходная пиковая мощность

Рис. 16. 18. Генерирование гармоник на миллиметровых волнах. Ввод энергии в области частот осуществляется через волновод сечения Вывод третьей гармоники происходит через волновод сечением Регулировка контакта производится микрометрической головкой. (См. [118].)

Удвоители частоты могут быть сконструированы в виде устройств с бегущей волной [331], в которых между второй гармоникой источников намагничивания в феррите и полями второй гармоники в волноводе существует нарастающее взаимодействие. Ферриты могут также работать как импульсные источники излучения сверхвысоких частот [346, 357, 358, 359].

Генераторы гармоник, в том числе и полупроводниковые диоды, оказались полезными как настраиваемые, когерентные и монохроматические источники мощности на частотах, превышающих 50 Ггц [92, 137, 186, 356]. Удовлетворительно работающая конструкция должна обеспечивать согласование по входу и выходу волновода, а для режекции или отбора любой желаемой гармоники должны применяться соответствующие секции фильтров. Генератор гармоник, который использовали Кинг и Горди [118], показан на рис. 16.18;

частоты на входе равнялись а на выходе вьщелялось напряжение третьей гармоники. Волноводы основной частоты и частоты гармоники взаимно перпендикулярны и соединены коаксиальной линией, содержащей диодный контакт; полупроводник помещался в большем волноводе.

Согласно результатам Несеркота [180], приведенным на рис. 16-19, генерируемая мощность гармоники возрастает быстрее линейного изменения при мощности основной частоты на входе приблизительно до выше которой наступает ограничение. Мощность второй гармоники изменяется примерно по квадратичному закону, а мощности гармоник третьего и более высоких порядков изменяются даже быстрее.

Рис. 16. 19. Характеристика генератора гармоник на полупроводниковом диоде. Частота на входе 24 Ггц. Кривые показывают мощность различных гармоник. (См. [180].)

Некоторые численные результаты, полученные Джонсоном, Слагером и Кингом [111], приведены в табл. 16.2. При модуляции частотой 1000 гц и ширине полосы 15 гц отношение сигнал/шум по мощности для перечисленных более слабых гармоник находилось в пределах 100—900. Исследование [216] генератора четвертой гармоники от частоты 24 Г гц показало, что точно такие же характеристики получаются с держателем, изготовленным на той же протяжной машине, при использовании такого же кремния. Кремний из детектора оказался лучше кремния из детектора который, в свою очередь, был лучше, чем из детекторов Существенное значение имеет острота контактной пружины, а также чистота поверхности кремния. Должна производиться индивидуальная проверка и регулировка, и тогда можно ожидать, что лучшие генераторы 4-й гармоники дадут потери преобразования в пределах от 30 дб при мощности на входе до 33 дб при Для генерирования гармоник пригодны полупроводниковые диоды с нелинейной емкостью [119, 133, 352, 354, 355, 400], так как ток проводимости не вызывает потерь мощности, а рабочая частота

ограничивается исключительно добротностью диода. В типичном примере [73] транзисторный генератор частоты давал мощность на частоте При мощности питания постоянного тока общий к. п. д. составил 2,3%. Многофазные выпрямляющие схемы можно выполнить на волноводах [365]; их отличительной чертой является свойство синфазности выходных сигналов гармоники выпрямителя, которая возбуждается -фазной системой.

Таблица 16.2 Мощность на выходе генератора гармоник, возбуждаемых отражательным клистроном

В процессе умножения вносятся дополнительные шумы; оказывается, что большие токи шумов на частоте модуляции, обусловленные эффектом мерцания, смешиваются с гармониками, что создает боковые полосы шумов. Отношение мощности шума к мощности несущей [215] обычно составляет 121 и 107 дб соответственно на основной частоте и частоте 4-й гармоники. При чувствительности детектора и полосе частот 1 гц полная шумовая характеристика обеспечивает для экспериментирования на этих частотах динамический диапазон около 70 дб.

В супер гетеродинном приемнике можно использовать два вида схем генерирования гармоник при использовании полупроводников. В одном случае применяется один диод как для генерирования тока гармоники, так и для смешения; при этом вблизи промежуточной частоты возникают биения высшего порядка. В связи с большой подводимой на вход мощностью возникают дополнительные шумы, что является недостатком этого метода. Во втором случае необходимо применять два диода: один для генерирования мощности гармоники на требуемой частоте гетеродина, а второй для работы в качестве преобразующего смесителя, в котором для получения нужной промежуточной частоты мощность этой гармоники создает биения непосредственно с сигналом.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление