19.2. СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ

19.2.1. Опорные резонаторы

Частота колебаний генераторов в области сверхвысоких частот зависит от напряжений на электродах, сопротивления нагрузки, механических возмущений и окружающей температуры, поэтому для повышения стабильности часто используются системы регулирования частоты. Примером такого регулирования, который описан в разд. 16.3.1 может быть автоматическая подстройка частоты гетеродина в супергетеродинных приемниках [303]. Рассматриваемые здесь системы являются абсолютными в том смысле, что генератор сверхвысоких частот привязан по частоте к стабильному опорному резонатору. Такие резонаторы должны иметь температурную компенсацию [92, 186, 235], или должны быть сделаны из материала, имеющего низкий температурный коэффициент расширения, например инвара. Хорошую стабильность можно получить также путем применения плавленого кварца, вырезанного точно по размерам и покрытого серебром; коэффициент расширения его составляет всего лишь Очень низкими коэффициентами расширения обладают также некоторые керамики [216]. Для уменьшения влияния влажности резонаторы должны быть запаяны, так как диэлектрическая постоянная воздуха определяется видоизмененным уравнением (6.54)

где парциальные давления соответственно сухого воздуха и водяных паров в миллиметрах ртутного столба. Для получения точных результатов следует учитывать поверхностный эффект и резонансная частота при этом должна быть уменьшена на дробь

В практически используемых опорных цилиндрических резонаторах применяются колебания вида при котором торцевые стенки точно перпендикулярны оси, а электрическое поле является чисто продольным. Резонансная частота определяется из уравнения (1.70) по формуле

Добротность изменяется от нуля для резонатора нулевой длины до некоторого асимптотического значения, когда длина резонатора неограниченно увеличивается; для меди на частоте она составляет около 37 000.

В таких резонаторах собственная частота колебаний вида может изменяться из-за искажения картины поля, вызываемого при введении радиального или осевого поршня изменения поля вблизи отверстия связи или формы торцевых стенок. Если размеры выбраны так, что отношение превышает 2,15, то возникает последующий более высокий вид колебаний частота которых

больше в 1,6 раза, при этом колебания с более низкой частотой возникать не будут.

При более низких значениях могут поддерживаться колебания, вида , но их можно исключить, если питающую линию сконструировать так, как показано на рис. 19.2, что позволяет разделять два вида связи: последовательную для колебаний вида и параллельную для При использовании в цилиндрическом резонаторе колебаний вида можно получить более высокие значения добротности с соответствующим повышением качества регулирования. В некоторых случаях желательно, чтобы резонатор представлял собой для входной линии согласованную нагрузку; на рис. 19.3 показан Такой резонатор, используемый на частотах Корпус резонатора сделан из инвара, внутренние поверхности корпуса покрыты серебром; микрометрическая головка позволяет регулировать резонансную частоту.

Рис. 19.2. Цилиндрический резонатор для колебаний вида Частота Резонатор перестраивается посредством искажения картины поля, а метод связи сводит возбуждение колебаний вида к минимуму.

В системах регулирования частоты иногда требуется, чтобы резонансная частота резонатора модулировалась звуковой частотой; такая модуляция может осуществляться с помощью следующих устройств: а) диафрагмы, приводимой в движение электромеханическим способом,

б) полупроводникового кристалла, на который подается модулирующее напряжение и который сильно связан с резонатором, в) вибрирующего язычка, г) посеребренного пьезоэлектрического кристалла, установленного на одной из торцевых стенок, д) вращающегося эксцентричного диска, е) намагниченного феррита и ж) магнитострикционного стержня, возбуждающего механические колебания на частоте механического резонанса резонатора.

Хотя частоту генератора СВЧ можно стабилизировать [66, 129, 207] при непосредственной связи с опорным резонатором, обычно применяется схема стабилизации колебаний с вспомогательным резонатором, в котором запасается большое количество энергии при малых потерях мощности [25, 152].

Этот внешний резонатор может соединяться с выходной линией генератора последовательно или параллельно; типичное устройство

показано на рис. 19.4, а. Можно показать [53], что крутизна кривой зависимости реактивной проводимости от частоты для цепи настройки генератора увеличивается благодаря коэффициенту стабилизации

Рис. 19.3. Эталон частоты резонаторного типа. Частота 75 Ггц. Корпус резонатора сделан из инвара; вход согласован.

Когда значение велико, то резонансная частота системы близка к частоте опорного эталона и с изменением частоты генераторной цепи она изменяется очень медленно. Наилучшие результаты достигаются в том случае, когда вспомогательный резонатор находится на расстоянии целого числа полуволн от действующего выхода генератора.

Рис. 19.4. Непосредственная стабилизация объемным резонатором: а — типичное устройство резонатора и генератора; б - эквивалентная схема; в — кривые реактивной проводимости. (См. [94].)

Так как допустимые отклонения в положении резонатора составляют около то обычно предусматриваются средства для небольших фазовых регулировок.

Для подавления нежелательных видов колебаний в лампе, линии передачи и стабилизирующем резонаторе, а также для расширения области стабилизации вводится демпфирующее сопротивление, вносящее небольшее затухание в линию передачи. В показанной на рис. 19.4 системе демпфирующее сопротивление имеет

вид согласованной нагрузки, кроме того, вводится индуктивная или емкостная реактивная проводимость для создания активной проводимости, последовательной со стабилизирующим резонатором. Можно стабилизировать частоту магнетронных [53] или клистронных [178] генераторов, но в этом случае в опорном резонаторе необходимо рассеивать около одной четверти генерируемой мощности. В системе [286] стабилизации отражательного клистрона на частоте благодаря применению колебаний вида была получена ненагруженная добротность порядка 150 000, что обеспечивало коэффициент стабилизации около

Эквивалентная схема резонаторной системы стабилизации показана на рис. 19.4, б. Если нормированная реактивная проводимость, то согласно Гольдштейну [94]

Это можно записать в следующем виде:

где коэффициент трансформации для места под соединения; нормированная активная демпфирующая проводимость, внешняя добротность генератора. Область стабилизации, определяемая, как показано на рис. 19.4, в, частотным разбросом между пиками трансформированной реактивной проводимости резонатора, определяется выражением

где частота системы. КСВН устройства при настроенном резонаторе определится формулой

При возникновении колебаний генератор подвергается рассогласующему действию расстроенного стабилизирующего резонатора. Если есть возникающий при этом КСВН, то

Вносимые потери в децибелах стабилизирующей системы определяются формулой

При конструировании системы стабилизации значения могут определяться обычными методами, получается из коэффициента затягивания частоты генератора по формуле