19.2.2. Схемы стабилизации

Многие методы стабилизации генераторов сверхвысоких частот основаны на применении следящих систем, в которых частота источника сравнивается с частотой опорного эталона, При этом вырабатывается напряжение, пропорциональное разности частот, которое тем или иным путем используется для корректирования частоты сигнала. В неопубликованной работе Вернера рассмотрен ряд широко используемых управляющих цепей.

Рис. 19.5. Принцип работы электронного стабилизатора частоты: а — блок-схема; б - характеристика дискриминатора с объемным резонатором, в котором выходное напряжение пропорционально миимой части коэффициента отражения.

В общем виде такая схема показана на рис. 19.5, а; небольшая часть генерируемой мощности подается в схему сравнения или дискриминатор [172]. В дискриминаторе, типичная характеристика которого показана на рис. образуется напряжение ошибки, пропорциональное алгебраической разности опорной частоты и частоты генератора. Выходной сигнал дискриминатора усиливается и подается на управляющий электрод генератора, при этом фаза подбирается так, чтобы получалась отрицательная обратная связь. Если добротность опорного резонатора, то область регулирования частоты составляет около

Предположим, что при размыкании и замыкании цепи обратной связи благодаря изменению рабочих условий происходит изменение частоты соответственно на и Тогда

где крутизна характеристики дискриминатора, коэффициент усиления усилителей и А — чувствительность управляющего электрода, Тогда усиление цепи обратной связи равняется а коэффициент стабилизации будет

Величину из-за шумов и паразитных сигналов, конечно, нельзя увеличивать безгранично, увеличивая [262]. Различные системы электронной стабилизацийможно классифицировать по методам постоянного и переменного токов.

Было разработано несколько систем стабилизации, основанных на усилении по постоянному току напряжения «ошибки», но в большинстве из них встречаются затруднения из-за динамической нестабильности, дрейфа и изменения уровня. В сверхвысокочастотном варианте [182] хорошо известной схемы Фостера-Сили фазы напряжений, поступающих в кристаллический детектор по двум различным путям, подобраны так, что когда резонатор резонирует, то они находятся в квадратуре. Оказалось, что клистронный генератор, работающий на частоте с помощью этого устройства можно удерживать в пределах от опорной частоты. Если линия передачи нагружена на резонатор, то положение стоячей волны быстро изменяется с изменением частоты около резонанса.

Рис. 19.6. Стабилизатор с использованием метода стоячей волны: а — блок-схема; б - картина стоячей волиы в волноводе. (См. [172].)

Стабилизатор этого типа был построен и исследован Пирчером [172], который, как показано на рис. 19.6, использовал волновод с двумя щелями связи, разнесенными на четверть волны и расположенными так, чтобы выходные сигналы каждого детектора при резонансе были равны. Коэффициент стабилизации, равный для системы, работающей в области был получен порядка 800; удовлетворительные результаты имеются [272] также и для частоты Желательно, чтобы резонатор был согласован [64]. Другой вариант метода стоячей волны базируется [41] на интерферометре, описанном в разд. 5.2.2; физическая длина «длинного» плеча может быть уменьшена путем использования замедляющих структур, подобных спирали [299].

На сверхвысоких частотах можно использовать схему дискриминатора Трэвиса [222], применяя два резонатора, один из которых настроен немного выше, а другой немного ниже требуемого значения опорной частоты. Действие схемы основано на изменении коэффициента передачи мощности с частотой; наилучшая характеристика

получается в том случае, когда используются наиболее крутые части резонансных кривых. На практике оказалось трудным настроить два резонатора для получения требуемого перекрытия на определенной частоте, поэтому было предложено использовать в одном и том же резонаторе два различных вида колебаний [184], например, и в возмущенном цилиндрическом резонаторе. Все устройство настраивается с помощью одного поршня и для каждого вида колебаний используются отдельные органы связи с детекторами. Регулировка может быть значительно упрощена, если один из резонаторов заменить аттенюатором, но при этом вдвое уменьшается крутизна характеристики дискриминатора.

Рис. 19.7. Стабилизатор типа Паунда по постоянному току: а. — волноводная схема и амплитуды электрического поля; б и в — векторные диаграммы. (См. [174].)

Одной из лучших схем стабилизации частоты по постоянному току представляет разработанный Паундом [173, 174] вариант, показанный в упрощенном виде на рис. 19.7. Энергия, которая поступает в дискриминатор, распространяется по путям, показанным пунктирными линиями; здесь же обозначены максимальные значения напряжения. Разности фаз напряжений, подводимых к детекторам, показаны на векторных диаграммах и с их помощью можно определить максимальные значения напряжения. Если Р есть мощность на входе дискриминатора, эффективность выпрямления кристаллов при холостом ходе, то крутизна характеристики дискриминатора будет

Если напряжение ошибки выводится из дискриминатора наложенным на несущий сигнал, то можно использовать усиление по переменному току с тем, чтобы существенно ослабить дрейф, фоновые наводки и шумы мерцания.

На этом принципе построен стабилизатор с частотной модуляцией, показанный на рис. 19.8 и исследованный Грантом [100].

На управляющий электрод генератора подается небольшое напряжение звуковой частоты с тем, чтобы его сверхвысокочастотный выходной сигнал был модулирован по частоте. Часть этого сигнала через опорный резонатор подводится к детектору.

Рис. 19.8. Стабилизатор с частотной модуляцией: а — блок-схема; б - пояснение принципа действия. (См. [100].)

Если средняя частота генератора будет немного ниже или выше резонансной частоты объемного резонатора, то сигнал на выходе кристаллического детектора будет содержать составляющую на частоте модуляции. Эта составляющая будет в фазе или противофазе с частотной модуляцией в зависимости от того, будет ли средняя частота слишком низкой или слишком высокой. Составляющая на частоте модуляции усиливается и поступает в синхронизующий смеситель, с которого снимается корректирующее постоянное напряжение на управляющий электрод. Более усовершенствованные устройства предусматривают использование транзисторных схем [261] и направленных ответвителей [281].

Рис. 19.9. Резонансный метод определения направления ухода частоты. Коэффициент передачи резонатора регулируется посредством модуляции звуковой частотой его резонансной частоты. (См. [93].)

Чтобы избежать неудобств, связанных с частотной модуляцией полезного выходного сигнала генератора, для образования схемы, способной определять направление ухода частоты по резонансному методу, можно модулировать внешний резонатор; примерное

устройство показано на рис. 19.9. Для исключения непосредственного затягивания частоты генератор должен быть развязан от резонатора. Такой частотный стабилизатор использовался [93] на частоте резонатор при этом модулировался с помощью вибрирующего язычка. В другой системе [119] модуляция резонатора осуществляется с помощью небольшого поршня, прикрепленного к вибрирующей диафрагме; при этом клистронный генератор, работающий на частоте оставался стабильным в полосе 200 кгц.

Рис. 19.10. Оригинальный стабилизатор типа Паунда на промежуточной частоте. Осциллоскоп помогает регулировке дискриминатора. (См. [174].)

Усиление звуковой частоты использовалось также в дискриминаторе Тайсона [228].

В новом дискриминаторе, описанном Джонсоном [121], небольшая часть мощности генератора поступает в опорный резонатор через петлю длиной Эта петля имеет индуктивный характер, так что напряжение на ней вблизи резонанса изменяется линейно с частотой. Для того чтобы выходной сигнал дискриминатора был независим от мощности, связь между индуктивной петлей и резонатором изменяется с частотой посредством экранирующей петли. Напряжение, возникающее на индуктивной петле, выпрямляется кристаллическим детектором, и составляющая с частотой на его выходе затем усиливается и подводится к синхронизующему смесителю, который подает корректирующее напряжение к генератору. На частоте с таким устройством, была получена стабильность 10-7.

В большинстве широко применяемых схем частотной стабилизации используется дискриминатор промежуточной частоты, предложенный Паундом [173, 174]. Небольшая часть выходной мощности генератора делится, как показано на рис. 19.10, двойным волноводным тройником; одна половина идет к объемному резонатору, а другая — к диодному модулятору. Диод согласован

с волноводом на сверхвысокой частоте но становится рассогласованным, когда через него пропускается добавочный ток от генератора частоты Поэтому сигналы боковых полос на частотах от него отражаются, делятся в двойном волноводном тройнике и проходят частично к детектору, а частично — обратно к генератору.

Поскольку объемный резонатор согласован, то на резонансной частоте он не отражает, но на частотах, немного отличающихся от резонансной, часть сигнала отражается и делится двойным волноводным тройником между детекторным и входным плечами. Волны от модулятора и резонатора, достигающие детектора, смешиваются и дают сигнал на частоте амплитуда и фаза которого зависит от коэффициента отражения резонатора. Этот сигнал с частотой усиливается и преобразуется в фазовом, детекторе в корректирующее напряжение, которое затем подается на управляющий электрод генератора В целях облегчения оптимальной настройки схемы для контроля используется электроннолучевой осциллоскоп. Напряжение качающейся частоты подается на электрод генератора, а выход фазового детектора переключается на осциллограф. Затем регулируются фазовращатель в плече резонатора и фаза колебаний с частотой для получения характеристики дискриминатора с наибольшими крутизной и амплитудой. Максимальную крутизну кривой дискриминатора можно вычислить с помощью выражения

где М — максимальное значение коэффициента отражения кристаллического модулятора. При оптимальных условиях остаточная частотная модуляция из-за шума определится по формуле

где критическая частота шума. В первоначальной экспериментальной системе при этих данных гц.

Другим вариантом, использующим дискриминатор промежуточной частоты Паунда, является равноплечая схема, описанная Туллером, Галовеем и Цаффарано [225]. Из рис. 19.11 можно видеть, что эта схема отличается от оригинальной тем, что смеситель и кристаллический модулятор поменялись местами. Такая схема расширяет область частот, получаемую без регулировки примерно от 4 до 12%, что эквивалентно улучшению стабильности примерно в четыре раза. Работает равноплечая схема Паунда подобно оригинальной [108]; Эссен [73] получил очень хорошие результаты на частоте с клистронным генератором Опорным элементом служил герметизированный инваровый резонатор с очень высокой добротностью, который поддерживался при постоянной

температуре с точностью до . Применяя в качестве модулятора германиевый диод типа можно было уменьшить ширину полосы частот стабилизированного генератора до 1 гц, а уход частоты составлял примерно 10-8 в час, что очень близко к краткосрочным и долгосрочным теоретическим пределам.

Рис. 19.11. Дискриминатор равноплечего стабилизатора Паунда. На вставке приведена векторная диаграмма. (См. [225].)

Равноплечая схема Паунда использовалась также вместе с медленно действующей электромеханической системой; такой стабилизатор с двойным контуром регулирования реагирует как на медленные, так и на быстрые возмущения [182].