книги / Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот
..pdfПосле включения магнетрона и клистрона контроли руется изменение частоты, обусловленное выбегом ча стоты от самопрогрева и установления теплового режи ма в блоке приемопередатчика. В момент перехода си стемы АПЧ из режима «поиска» в режим «слежения» фиксируются частоты f'„ и /'кл (рис. 6.22).
Рис. 6.22. Изменение |
частоты магнетрона и клистрона |
в процессе разогрева |
аппаратуры при наличии АПЧ. |
Разность частот АГ=|Гм-^Гнл| определяет значение диапазона захвата системы АПЧ. Для измерения диа пазона захвата системы АПЧ по частоте может быть приметен способ искусственного изменения частоты, на пример гетеродина. Естественно следует предусмотреть, чтобы скорость изменения частоты была значительно меньше частоты пилообразного напряжения системы АПЧ в режиме «поиска». Это позволяет набежать по грешностей измерения.
Важное значение для работы радиолокационной станции имеет инерционность системы АПЧ. В зависи мости от назначения аппаратуры требуется подстройка частоты в течение импульса передатчика или допускает ся подстройка за серию импульсов. Вопросы сверхбы-
292
строй подстройки частоты проанализированы в работах [24, 26].
Рассмотрим более подробно системы АПЧ, приме няемые в радиолокационных станциях для навигации на
кораблях и |
самолетах и для аппаратуры метеослужбы. |
К подобным |
станциям некогерентного действия не |
предъявляется больших требований в отношении скоро сти срабатывания системы АПЧ.
Изучение инерционности системы АПЧ и влияния ре жима магнетрона и клистрона «а работу АПЧ было проведено на экспериментальной установке, отработан ной В. А. Щедровичем. Блок-схема этой установки дана на рис. 6.23. Основная часть установки состояла из уз лов приемопередатчика радиолокационной станции сан тиметровых волн с фиксированной настройкой частоты при уровне мощности до 100 кет в импульсе. Длитель ность импульсов была выбрана около 1 мксек, частота следования задавалась импульсным генератором типа Г5-1 (26И) и поддерживалась в большинстве случаев равной 1000 има/сек. Для искусственного изменения периодичности частоты следования импульсов в подмо дулятор включался имитатор импульсов. Контроль спек тра осуществлялся с помощью анализатора спектра ти па С4-2 (ИВ-66).
Для анализа процессов, происходящих в системе АПЧ при изменении режима работы магнетрона, про изводился одновременный контроль (на многошлейфо вом осциллографе типа МПО-2) напряжения на отража теле (шлейф 3), напряжения сигнал-ошибки системы АПЧ (шлейф 4), частоты магнетрона (шлейф 2) и спект ра генерируемых колебаний (шлейф /).
Измерение средней частоты магнетрона в течение каждого импульса осуществлялось путем преобразова ния ВЧ импульсов магнетрона в импульсы напряжения, амплитуда которых значительно изменяется при изме нении частоты. Последнее достигается настройкой ди скриминатора и калиброванного усилителя, показанных в блок-схеме установки. Форма спектра генерируемых колебаний магнетрона в связи с нелинейной амплитуд ной характеристикой усилителя № 1 шлейфового осцил лографа контролировалась приближенно.
Данная измерительная установка позволяет контро лировать каждый импульс м агнетрона ицуг импульсов
293
—Модулятор
за продолжительный отрезок времени, т. е. все необхо димое для исследования нестационарных процессов в системе АПЧ. На рис. 6.24 (см. иллюстр.) показана осциллограмма одновременной регистрации на шлейфо вом осциллографе спектра и частоты колебаний, гене рируемых магнетроном, напряжения на отражателе кли строна и напряжения сигнал-ошибки системы АПЧ. Скорость движения пленки, перемещающейся на приве денном рисунке справа налево, составляла 350 MAifceic. Подобная осциллограмма позволяет оценить качество спектра, характер изменения частоты магнетрона, изме нение напряжения на отражателе клистрона. По появле нию напряжения сигнал-ошибки можно судить о момен те перехода системы АПЧ из режима «поиска» в режим «слежения». В данном случае захват системы АПЧ про изошел через 0,32 сек после включения высокого анод ного напряжения магнетрона (предварительно магне-’ трон был разогрет). Интересные участки осциллограммы могут быть рассмотрены с помощью лупы или отпеча таны с пленки при значительном увеличении. Увеличе ние в 5 раз осциллограммы (рис. 6.25) дает много допол нительных сведений для количественной оценки неста ционарных процессов.
На осциллограмме рис. 6.26 (см. иллюстр.) при уменьшенной скорости движения пленки (200 мм/сек) зарегистрированы характер изменения напряжения на отражателе клистрона в режиме «поиска» системы АПЧ и процессы в момент включения анодного напряжения на магнетроне. Здесь, близко к предыдущему случаю, переход системы АПЧ из режима «поиска» в режим «слежения» наступил через 0,28 сек с момента включе ния высокого анодного напряжения на магнетроне. Раз личие процессов в обоих случаях состоит в том, что в первом случае захват системы АПЧ наступил при уве личении напряжения на отражателе, во втором случае — при понижении напряжения.
Интересно отметить, что рассматриваемая система АПЧ не критична к форме спектра генерируемых коле
баний, |
что видно |
из |
осциллограмм, |
показанных иа |
||
рис. 6.27 (см. иллюстр.). Если спектр |
сильно «рассы |
|||||
пан», |
искажен и |
является |
нестабильным |
(последнее |
||
весьма |
существенно), |
то |
чувствительность |
приемного |
||
устройства заметно |
понижается. На рис. 6.28 приведены |
|||||
295
перимеитальным путем оценить ‘ важные параметры системы АПЧ, трудно поддающиеся теоретическому ана лизу.
Приведенные выше результаты исследования показа ли, что для радиолокационных станций с некогерентным принципом действия некоторая инерционность системы
Рис. 6.28. Осциллограммы спектра (/) и импульса «звона» от эхо-резонатора (//), наблюдаемые на экране электронного осциллографа при частоте сме щения спектра 10—15 гц.
АПЧ имеет определенные преимущества с точки зрения обеспечения устойчивости ее работы. В этом случае небольшие скачки частоты, выпадение отдельных «м- пульсов, связанное с пропусками, искрениями и пере скоками, не нарушают режима «слежения» систе мы АПЧ.
Проведенное рассмотрение влияния режима работы магнетрона и отражательного клистрона на схему элек тронной АПЧ показывает также, что наибольшая устой чивость системы обеспечивается при правильно выбран
297
ной рабочей точке |
в |
области генерации клистрона |
|
(рис. 6.19, |
точка М) |
и |
при наибольшей стабильности |
работы магнетрона. |
|
|
|
6 .3. |
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ МАГНЕТРОНА |
||
И РЕЗОНАНСНЫХ РАЗРЯДНИКОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ДЕТЕКТОРА В ОТСУТСТВИЕ
И ПРИ НАЛИЧИИ ЛБВ
Кристаллический детектор в существующем кон структивном оформлении является весьма чувствитель ным элементом, подверженным изменять свои параме тры при воздействии электрических сигналов.
Детекторы предназначены для регистрации сигналов 10-8-г-10“13 вт, работают -при мощности гетеродина (0,3-И) • 10-3 вт и выдерживают длительное время мощносги 0,1-т-0,3 вт. Однако при больших уровнях мощности возникают необратимые и обратимые измене ния параметров, приводящие к ухудшению чувствитель ности приемных устройств. Необратимые изменения па раметров, в основном, связаны с полным или частичным «выгоранием» детектора. При прохождении через де тектор больших электрических сигналов в области пере хода от полупроводника к металлу выделяется значи тельное количество тепла, приводящее к нарушению детектирующих свойств. Это связано с тем, что диаметр металлического стержня d в месте контакта с полупро водником для улучшения высокочастотных параметров детектора составляет всего 15—25 мк (рис. 6.32,а).
Изменение физических свойств поверхности полупро водника и металла в месте контакта приводит к изме
нению • вольтамперной |
характеристики |
детектора |
|||||
(рис. 6.32,в). |
|
схема |
кристаллического |
де |
|||
|
Полная эквивалентная |
||||||
тектора с учетом емкости патрона |
Сп показана |
па |
|||||
рис. 6.32,6. |
сопротивления потерь |
кристаллического |
|||||
|
«Величина |
||||||
детектора на |
СВЧ определяется |
выражением |
[33] |
|
|||
|
|
|
|
|
|
<бл4> |
|
где |
R > ^ \ |
|
|
|
|
|
|
ев = |
2*/ — кр >>говая частота; |
|
|
|
|
||
|
/ — частота сигнала. |
|
|
|
|
|
|
Величина последовательного сопротивления г3 для (ерманневых детекторов со сварным контактом не зави сит от частоты и составляет- 7—15 ом, емкость
— 0,3 1,5 пф, а сопротивление потерь изменяется
счастотой, составляя 200—300 ом на частоте 500 Мгц
и7— 15 ом на частоте 10000 Мгц.
Рис. 6.32. Вид контакта (а), полная эквивалентная схе ма (б) и вольтамперная характеристика (в) кристал
лического детектора СВЧ.
Эти данные свидетельствуют о значительной зависи мости входного сопротивления от частоты и разл -шон устойчивости детектора при воздействии непрерывных
иимпульсных колебаний на -различных частотах.
Всвязи с малой тепловой постоянной детектора (по рядка 10-8 сек) устойчивость кристаллических детекто ров к электрическим перегрузкам принято оценить величиной энергии выгорания. Этот искусственный па раметр проверяется путем однократного разряда на де тектор коаксиальной линии, заряженной от батареи и обеспечивающей длительность импульса разряда, соиз меримой с тепловой постоянной детектора.
Выбор напряжения батареи определяется из соотно
шения
Г в = 0,5.10-70 / а, |
(6.15) |
299
где ^ — энергия |
выгорания, дж\ |
С — емкость |
коаксиальной линии; |
U — напряжение батареи.
Длительность импульса разряда определяется дли ной коаксиальной линии.
Электрическая прочность детекторов, рассчитанных для работы на более высоких частотах, обычно ниже электрической прочности более длинноволновых детек торов. Это связано с необходимостью на более ’высоких частотах уменьшать площадь контакта, что затрудняет охлаждение места контакта с помощью наполнителей или специальных теплоотводов. Обобщенная зависи мость энергии выгорания детекторов различной конст
рукции и технологии изготовления |
показана на |
рис. 6.33 [18]. |
|
В реальных условиях применения смесительных де текторов в радиолокационных станциях на детектор воздействуют периодические импульсы, просачивающие ся через резонансные разрядники сложной формы в те чение времени излучения передатчика (рис. 6.11), и импульсы ВЧ колебаний при ’приеме от вблизи располо женных станций. Возможны также попадания на детек тор колебаний за счет наводок по низкочастотным цепям в случае их недостаточной экранировки.
Поэтому более правильно оценивать устойчивость кристаллических детекторов к электрическим перегруз кам энергией выгорания и максимально допустимой мощностью ВЧ импульсов прямоугольной формы,- пе риодически подаваемых на детектор в течение длитель ного времени (срока службы). При этом наиболее целе сообразно испытывать кристаллические детекторы сов местно с резонансными разрядниками, с которыми они должны совместно работать. Причиной этого является следующее. Кратковременно кремниевые детекторы вы держивают мощности до 5—10 вт в импульсе, но при просачивающейся через разрядники мощности плоской части импульса 0,15—0,2 вт в течение длительного вре мени замечаются ухудшения параметров. Имеются дан ные, что импульсная просачивающаяся мощность 200— 300 мет -вызывает ухудшение нормированного коэффи циента шума кристаллического детектора на 1 дб после каждых 100 час работы, в то время как при уровне мощ300
ности 50 мет детекторы надежно работают в течение бо лее 1000 час [15].
Высокодобротиые и широкополосные разрядники с одной и той же величиной просачивающейся энергии пика по-разному влияют на устойчивость кристалличг-
1Ли
Рис. 6.33. Зависимость параметра энергии выгора ния детектора от частоты.
ских детекторов. Замечено, что кристаллические детек торы при работе с широкополосными разрядниками выдерживают в 2—3 раза большую энергию пика по сравнению с высокодобротными. По-видимому, это связано с различной длительностью пика просачиваю щейся мощности.
При применении резонансных разрядников и кри сталлических смесителей в ответвительных схемах ан-
301