ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР Советский патент 2006 года по МПК H03B5/18 

Автогенератор на транзисторе с электронным управлением частоты. Изобретение относится к генераторам с электронным управлением частотой генерируемых колебаний и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре, особенно используемой на борту летающих объектов.

Генераторы электромагнитных колебаний на электровакуумных приборах (трехэлектродных, лампах, клистронах и т.д.) имеют недостатки, затрудняющие их применение в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, к которой предъявляются требования высокой надежности и экономичности, малого веса и габаритов, устойчивости к воздействию значительных механических нагрузок и т.д. Поэтому в настоящее время электровакуумные приборы соответствующих частот и уровней выходной мощности с успехом заменяются полупроводниковыми устройствами: ЛПД, туннельными диодами, диодами Ганна, транзисторами и некоторыми другими. Наибольшее применение находят транзисторы, так как они позволяют генерировать в непрерывном режиме достаточно большой уровень мощности при высоком КПД.

Транзисторы имеют ряд специфических особенностей, которые заключаются в следующем.

Межэлектродные проводимости транзисторов сильно зависят от температуры, что приводит к нестабильности генерируемой частоты и мощности. (см. напр., Л.С.Берман "Введение в физику варикапов", 1968 г., стр.63.).

В отличие от трехэлектродных ламп межэлектродные емкости транзисторов сильно зависят от приложенного к ним напряжения. Это обстоятельство может привести к возникновению параметрической генерации или к параметрическому делению частоты, так как при воздействии на транзистор синусоидального сигнала межэлектродные емкости будут периодически изменять свою величину (см. напр., А.Е.Каплан "Параметрические генераторы и делители частоты", Сов. Радио, 1966 г.).

Мощные транзисторы СВЧ-диапазона имеют широкополосную внутреннюю обратную связь (см. пат. США №3.393.378, кл. 331-117), которая может привести к нежелательному самовозбуждению в диапазоне рабочих частот каскада. Необходимо отметить, что величина связи зависит от режима транзистора.

Транзисторы, эффективно работающие на частотах порядка 1 Гц, имеют большой коэффициент усиления на частотах до 100 МГц. Поэтому генераторы и, особенно, усилители на транзисторах склонны к паразитному самовозбуждению на сравнительно низких частотах, что обычно приводит к выходу транзистора из строя.

Таким образом основные проблемы, возникающие при создании транзисторных генераторов заключаются в получении необходимой стабильности частоты и амплитуды генерируемых колебаний и подавлении нежелательного самовозбуждения.

Электронное управление частотой генерируемых колебаний наиболее эффективно осуществляется с помощью полупроводниковых диодов (варикапов), емкость "pn" перехода которых зависит от напряжения (см. напр., В.К.Лабутин "Колебательный контур, перестраиваемый нелинейной емкостью", Энергия, 1964). Зависимость емкости "pn" перехода от напряжения носит нелинейный характер. Поэтому нестабильность амплитуды генерируемых колебаний приведет к нестабильности частоты, так как средняя за период величина емкости варикапа будет непостоянной.

Транзисторные генераторы, перестраиваемые по частоте варикапом, описаны в научно-технической и патентной литературе. В материалах патента США №3.377.568 кл. 331-117 описан генератор на транзисторе, перестраиваемый двумя последовательно включенными варикапами (фиг.1а, б). Генератор работает следующим образом. Коллектор транзистора 40 заземлен по высокой частоте через блокировочную емкость 55. Резонансный контур образован отрезком линии 20, заключенной в прямоугольный кожух 15, включенными последовательно с линией 20 варикапами 25, 26, индуктивностью базового ввода транзистора L_b, а также последовательно-параллельной комбинацией межэлектродных емкостей транзистора 4а: коллектор-база (С_bc), база-эмиттер (С_be), коллектор-эмиттер (С_ce) и междувыводных емкостей С1, С2, С3. Обратная связь создается за счет емкости С_се. Эмиттер 42 отделен от земли индуктивностью L_e и дросселем 46. Индуктивности 30 и 50 блокировочные. Сопротивления 51 и 46 демпфирующие. Связь с нагрузкой осуществляется с помощью индуктивной петли 65, через коаксиальный разъем 60. Сопротивление, подключенное параллельно петле 65, 66 служит для предотвращения выхода транзистора из строя при изменении нагрузки, а также снижает уровень второй гармоники на выходе. Встречное включение варикапов 25,26 и подключение к линии сопротивления 56 дополнительно уменьшают уровень второй гармоники в нагрузке.

Недостатки этого генератора состоят в следующем.

1. Генератор имеет сравнительно малую стабильность частоты, так как в резонансный контур входят межэлектродные емкости транзистора, а последние, как было указано выше, изменяются при изменении режима генератора и температуры окружающей среды.

2. Стабильность генерируемой мощности не высока, что объясняется изменением величины обратной связи, определяемой емкостью коллектор-эмиттер, при изменении режима генератора и температуры окружающей среды.

3. Наличие в коллекторной цепи блокировочной емкости, которая совместно с индуктивностью проводов питания образует низкочастотный контур, приводит к паразитному низкочастотному возбуждению из-за большого коэффициента усиления транзистора на низких частотах. Кроме того блокировочная емкость в коллекторной цепи способствует возникновению нежелательных параметрических эффектов, так как образуется колебательный контур из индуктивности коллекторного вывода транзистора (на фигурах не показан), блокировочной емкости и последовательно включенной емкости коллектор-эмиттер, причем последняя при наличии на электродах транзистора синусоидального напряжения будет периодически изменять свою величину.

4. Блокировочные дроссели 46, 50 необходимо шунтировать дополнительными сопротивлениями, что увеличивает количество элементов в схеме и соответственно снижает ее надежность.

5. Встречное включение варикапов 25, 26 создает линейную зависимость генерируемой частоты от приложенного к варикапам модулирующего напряжения (см. напр., Лабутин В.К. "Колебательный контур, перестраиваемый нелинейной емкостью", 1964 г). Поэтому в случае применения генератора в устройствах, где требуется линейное изменение частоты во времени (например, в радиовысотомерах), необходимо, чтобы модулятор генерировал пилообразное напряжение с высокой степенью линейности. Выполнение последнего приводит к существенному усложнению модулятора.

Конструктивный недостаток генератора заключается в том, что связь с нагрузкой не может плавно изменяться, так как не предусмотрено вращение петли связи 65 относительно своей оси, что позволило бы регулировать величину связи генератора с нагрузкой.

Еще один конструктивный недостаток заключается в трудности крепления варикапов 25, 26 к отрезку линии 20. Кроме того в связи с малым сечением проводника линии 20 отвод тепла от варикапов 25, 26 затруднен.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, то есть создание транзисторного электронноуправляемого автогенератора с высокой степенью стабильности частоты и мощности, не требующего высоколинейного модулирующего напряжения, в котором исключены паразитные самовозбуждения и параметрические эффекты, обладающего повышенной надежностью, имеющего легкую регулировку связи с нагрузкой, а также имеющего надежное крепление, хорошо отводящее тепло варикапа.

Поставленная цель достигается включением в базовую цепь транзистора нелинейного элемента, сопротивление которого нелинейно изменяется при изменении температуры, подключением между коллектором и эмиттером дополнительного конденсатора, заземлением коллектора по постоянному току, включением последовательно в резонансный контур одного варикапа, использованием ферритовых дросселей, применением емкостной связи генератора с нагрузкой, креплением варикапа непосредственно к корпусу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где: на фиг.1а схематически изображена конструкция известного генератора; на фиг.1б - принципиальная электрическая схема известного генератора; на фиг.2 - конструкция предлагаемого генератора; на фиг.3 - боковой вид конструкции; на фиг.4 - принципиальная электрическая схема предлагаемого генератора. На фиг.2 условно снята верхняя крышка, а на фиг.3 - боковая стенка.

Предлагаемый генератор содержит пустотелую прямоугольную резонансную структуру 1, внутри которой находится транзистор 2, имеющий три электрода: эмиттер 3, базу 4 и коллектор 5. К базе 4 подключен отрезок линии 6, причем противоположный конец линии 6 через конденсатор 7 подключен к варикапу 8, а последний с помощью гайки 9 закреплен на металлическом корпусе 10. Коллектор 5 транзистора 2 соединен широкой металлической перемычкой 11 с корпусом 10. Дополнительная обратная связь создается конденсатором 12, включенным между эмиттером 3 и коллектором 5 транзистора 2.

Смещение на базу 4 транзистора 2 снимается с делителя, образованного сопротивлениями 13, 14, причем сопротивление 14 нелинейное и его величина изменяется при изменении температуры окружающей среды. Делитель 13, 14 изолирован по высокой частоте от базы 4 ферритовым дросселем 15. Эмиттер 3 транзистора 2 изолирован от земли дросселем 16, а последний блокирован по высокой частоте конденсатором 17. Напряжение питания подается на эмиттер 3 через проходной блокировочный конденсатор 18 и сопротивление 19. Напряжение смещения на варикап 8 подключается с помощью клеммы 20 через сопротивление 21. Модулирующее напряжение на варикап 8 подключается с помощью клеммы 22 через сопротивление 23. Для развязки цепей смещения и модулирующего напряжения от высокочастотного напряжения на варикапе включен дроссель 24. Линия 6 через конденсатор связи 25 коаксиальный разъем 26 подключается к нагрузке (на фигуре не показана), в качестве которой могут быть последующий каскад или антенна. Корпус 10 закрывается крышкой 27, прикрепленной к нему с помощью винтов 28, 29, 30, 31. Транзистор 2 прикреплен к корпусу 10 гайкой 32.

Генератор собран по схеме с общим коллектором. Коллектор 5 транзистора 2 соединен с металлическим корпусом 10 безиндуктивной проводящей перемычкой 11, что позволяет избавиться от блокировочного конденсатора в цепи питания коллектора. При этом исключается возможность самовозбуждения каскада на низкой частоте, так как не образуется емкостной трехточечной схемы генератора.

Кроме того сильно уменьшается возможность возникновения параметрических эффектов, так как паразитные резонансы в коллекторной цепи транзистора 3, образованной индуктивностью коллекторного вывода (на фигурах не показана), индуктивностью перемычки 11 и межэлектродными емкостями, могут возникать только на частотах значительно более высоких, чем рабочая частота.

Резонансный контур включен в цепь базы 4 и состоит из индуктивности базового ввода L_b, индуктивности 6, варикапа 8 и последовательно-параллельной комбинации из конденсатора 12 и межэлектродных емкостей С кэ, С кб, С бэ транзистора 2.

В цепь базы включен делитель, состоящий из сопротивлений 13 и 14, причем сопротивление 14 нелинейно изменяется с температурой таким образом, что при уменьшении температуры его величина возрастает.

Такие сопротивления известны под названием термосопротивлений и серийно выпускаются отечественной промышленностью (сопротивления типа ММТ). Изменение соотношения между плечами делителя 13, 14 при изменении температуры вызовет изменение смещения на базе 4 транзистора 2, причем с понижением температуры положительное смещение, в случае применения транзистора npn типа, будет возрастать, что приведет к стабилизации переменного напряжения на электродах транзистора 2 и соответствующей стабилизации переменного напряжения на варикапе 8. Стабилизация амплитуды напряжения на электродах транзистора 2 и варикапа 8, в свою очередь, приведет к постоянству межэлектродных емкостей транзистора 2 и варикапа 8, которые зависят от приложенного к ним напряжения. Так как межэлектродные емкости С кэ, С кб, С бэ и емкость варикапа 8 входят в резонансный контур, которым определяется генерируемая частота, постоянство указанных емкостей при изменении температуры приведет к постоянству генерируемой частоты в широком интервале температур окружающей среды. Дополнительная стабилизация амплитуды и частоты генерируемых колебаний достигается подключением между коллектором 5 и эмиттером 3 транзистора 2 внешнего дополнительного конденсатора 12, величина которого не зависит от приложенного к нему напряжения и постоянна при изменении температуры окружающей среды. Одновременно емкость 12 увеличивает положительную обратную связь, что также способствует улучшению стабильности амплитуды и частоты генерируемых колебаний.

Емкость варикапа 8 нелинейно зависит от приложенного к нему модулирующего напряжения, а резонансная частота контура, в который включен варикап 8, в свою очередь, нелинейно зависит от емкости варикапа. В целом зависимость резонансной частоты от модулирующего напряжения близка к экспоненциальной. Поэтому для генерации линейноизменяющихся во времени колебаний можно использовать в качестве модулирующего напряжения, прикладываемого к клемме 22, напряжение, возникающее при разрядке емкости (на фигуре не показана), так как разряд емкости происходит по экспоненциальному закону. Необходимо только, чтобы крутизна модулирующего напряжения была противоположна по знаку крутизне зависимости генерируемых колебаний от этого напряжения, что легко осуществимо.

Эмиттер 3 транзистора 2 изолирован от земли ферритовым дросселем 16, который заблокирован по высокой частоте конденсатором 17, а последний через сопротивление 19 соединен с проходным конденсатором 18, к наружному вводу которого, в случае применения транзистора npn типа, подключается "минус" источника питания. Сопротивление 19 защищает транзистор 19, так как ограничивает броски коллекторного тока, возникающие при изменении нагрузки генератора. Смещение на базу 4 транзистора 2 подается с делителя 13, 14 через ферритовый дроссель 15. Применение ферритовых дросселей в цепях эмиттера 3 и базы 4 исключает возникновение паразитной генерации без дополнительного их шунтирования активными сопротивлениями, что повышает надежность генератора, так как уменьшается количество используемых в нем деталей. Исключение возможности паразитной генерации объясняется тем, что паразитные резонансные контуры, образованные дросселями 15, 16 имеют низкую добротностъ из-за значительных потерь в феррите.

Варикап 8 отделен от резонансного контура конденсатором 7. Смещение на варикап 8 подключается к клемме 20 через сопротивление 21 и ферритовый дроссель 24. Модулирующее напряжение на варикап 8 подключается к клемме 22 через сопротивление 23 и дроссель 24. Дроссель 24 служит для изоляции по высокой частоте цепей смещения и цепей модулирующего напряжения. Сопротивления 20 и 23 служат для развязки источника смещения и источника модулирующего напряжения друг от друга.

Генератор через конденсатор связи 25 и коаксиальный разъем 26 связан с нагрузкой. Согласование генератора с нагрузкой (на фигурах не показана) производится подбором величины конденсатора 25, что легко осуществимо при наладке генератора.

Варикап 8 прикреплен к корпусу 10 с помощью гайки 9. Такое крепление конструктивно просто и позволяет осуществить хороший теплоотвод мощности, рассеиваемой в варикапе 8, что повышает надежность генератора.

Генератор на серийном отечественном транзисторе 2Т904А и серийном отечественном варикапе 2В106Б имел стабильность генерируемой частоты в узкой полосе электронной перестройки в интервале температур от +50°С до -60°С не хуже 2·10^-6 град^-1. Стабильность частоты во всем диапазоне электронной перестройки в том же интервале температур была не хуже 2·10^-5 град^-1.

Генератор прост в изготовлении и наладке, которая сводится к подбору плеч делителя 14, 15 и регулировке с помощью конденсатора 25 величины связи с нагрузкой. Стоимость генератора невелика, так как он содержит небольшое количество стандартных деталей, а трудоемкость изготовления корпуса мала ввиду того, что он имеет простую форму и может изготавливаться методом штамповки или отливки.

Изобретение относится к генераторам с электронным управлением частотой генерируемых колебаний и может быть использовано в радиоэлектронной аппаратуре. Технический результат заключается в повышении стабильности частоты и подавлении паразитной генерации. Для этого устройство содержит делитель напряжения в цепи базы, источники питания, смещения и перестраиваемого напряжения, колебательный контур, состоящий из индуктивностей цепи базы, межэлектродных емкостей транзистора, варикона, конденсатор, а также введены ферритовый дроссель и конденсатор постоянной емкости. 4 ил.

Перестраиваемый автогенератор, выполненный на транзисторе, включенном по схеме с общим коллектором, содержащим делитель напряжения в цепи базы, источники питания, смещения и перестраиваемого напряжения, колебательный контур, состоящий из индуктивностей цепи базы, межэлектродных емкостей транзистора, варикапа и конденсатора, включенного в цепи эмиттера транзистора, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты и подавления паразитной генерации, варикап подключен к колебательному контуру через конденсатор постоянной емкости, а источник смещения и перестраиваемого напряжения через ферритовый дроссель подсоединен в место соединения варикапа с упомянутым конденсатором, причем делитель напряжения, нижнее плечо которого выполнено в виде терморезистора, подключен к базе транзистора также через ферритовый дроссель, а колебательный контур соединен с нагрузкой через конденсатор.