5.5. СИНХРОНИЗАЦИЯ КОЛЕБАНИЙ ГЕНЕРАТОРА

Синхронизация (на основной частоте) или захватывание частоты имеет место тогда, когда на автогенератор, работающий на частоте воздействует внешний сигнал с частотой близкой к Синхронизация заключается в изменении частоты колебаний генератора, в результате которого она становится равной частоте внешнего воздействия. Синхронизация колебаний широко используется в разнообразных радиотехнических, связных и измерительных устройствах: для стабилизации частоты автогенераторов, усиления ЧМ колебаний и т. п. Без синхронизации невозможна работа осциллографов.

Синхронизация свойственна всем автогенераторам и имеет место в некоторой полосе частот называемой полосой синхронизации, или полосой захватывания. За пределами полосы синхронизации в генераторе одновременно существуют автоколебания частоты генератора и вынужденные колебания частоты в результате образуются биения с частотой

На рис. 5.10 показана зависимость частоты колебаний генератора, от частоты воздействующего сигнала: внутри полосы синхронизации

На рис. 5.9 были приведены амплитудно-частотные характеристики синхронизированного генератора на приборе с отрицательным сопротивлением. Характеристики транзисторных и ламповых синхронизированных генераторов в основном аналогичны.

Рис. 5.10

Рис. 5.11

Важнейшей характеристикой синхронизированного генератора является полоса синхронизации. При малых можно считать, что частотные характеристики пересекаются с эллипсом неустойчивости при (см. рис. 5.9). Подставляя это значение в (5.37), получаем Отсюда с учетом (5.36) относительная полоса синхронизации

При больших на границах полосы синхронизации и из Поэтому при

Следовательно, полоса синхронизации возрастает с увеличением амплитуды синхронизирующего сигнала и с уменьшением амплитуды собственных колебаний автогенератора. Величиной же можно управлять изменением обратной связи и режима работы генератора: чем меньше обратная связь превосходит необходимую для самовозбуждения, тем больше полоса синхронизации.

В синхронизированном генераторе устанавливается определенный сдвиг фаз между синхронизирующим сигналом и напряжением на контуре автогенератора, определяемый выражением (5.38) и зависящий от расстройки При малых на границах полосы синхронизации .

При анализе синхронизированных генераторов СВЧ диапазона важное значение имеют частотные характеристики мощности (ЧХМ) первой гармоники отдаваемой НЭ. На рис. 5.11 построены колебательная характеристика и зависимость рассчитанные для по выражениям

Приравнивая нулю производную (5.41) по устанавливаем, что при достигается наибольшая амплитуда тока для реализации такого режима необходимо, чтобы удовлетворяло соотношению Аналогично из (5.42) устанавливаем, что при достигается наибольшая мощность и это имеет место при оптимальной нагрузке, определяемой соотношением Величина это наибольшая мощность, которую может отдавать НЭ при гармоническом напряжении как в автономном, так и неавтономном режиме. На рис. приведены и характеристики обратной связи для равного 1,5 и 2.

Предположим, частота воздействия Тогда амплитуда стационарных колебаний определяется согласно первому уравнению (5.30) из условия е. точкой пересечения колебательной характеристики и характеристики обратной связи, опущенной на величину (пунктирная прямая). Из рис. 5.11 следует, что увеличение амплитуды всегда вызывает увеличение амплитуды Характер же изменения мощности зависит от нагрузки: если то с увеличением мощность уменьшается; если то сначала возрастает, а после достижения уменьшается.

Зависимость (5.42) с учетом (5.36) можно записать

где мощность автономного генератора, Поэтому мощность нормированная относительно

Поскольку

при любом имеет квадратичный характер. Величина достигается при Значение соответствует Аоит (см. рис. 5.11). Переход от АЧХ к ЧХМ сводится к замене у на при тех же расстройках х.

На рис. 5.12 приведена ЧХМ для полученная в результате такого расчета для когда Зависимость совпадает с нормированной частотной характеристикой мощности в нагрузке при так как она также построена на рис. 5.12.

В стационарном режиме

где нормированная мощность, отдаваемая синхронизирующим сигналом. Поэтому

Из зависимости построенной на рис. 5.12 согласно (5.44), видно, что по мере увеличения расстройки величина мощности поступающей в генератор от источника синхронизирующего сигнала, уменьшается, что является следствием ее зависимости от амплитуды А и сдвига фаз При некоторых расстройках согласно (5.38) и а при еще больших расстройках мощность изменяет знак и источник синхронизирующего сигнала становится потребителем энергии.

Рис. 5.12

В генераторах СВЧ, подключаемых к источнику синхронизирующею сигнала и нагрузке через циркулятор, мощность в полосе синхронизации приблизительно постоянна. В таких условиях согласно подобны зависимостям

В общем случае синхронизация может осуществляться колебаниями частот для которых

где — небольшие целые числа.

Механизм синхронизации при можно пояснить следующим образом:

при подаче синхронизирующего сигнала с частотой для которой в напряжении и появляется комбинационная частота близкая к Начинается процесс синхронизации, сопровождающийся приближением частоты Этот процесс прекратится при таком значении при котором комбинационная частота или , т. е. когда

Когда частота приблизительно в раз меньше частоты в режиме синхронизации частота генерируемых колебаний Такой режим называется синхронизацией на гармонике и используется для умножения частоты. Когда частота примерно в раз больше частоты частота синхронизированных колебаний Такой режим называется синхронизацией на субгармонике и используется для деления частоты. Отметим, что во всех упомянутых случаях частота генерируемых колебаний близка к Полосы синхронизаций обычно заметно уменьшаются с ростом тип.