Лекция 40 типы генераторов и их особенности

1. Стабилизация частоты автогенератора.

А) Основные внешние дестабилизирующие факторы и меры их устранения.

К внешним дестабилизирующим факторам относятся: неточность установки частоты, вибрация деталей, изменение температуры деталей и приборов, нестабильность напряжения источника питания, нестабиль-ность нагрузки генератора, изменение влажности и давления воздуха, смена приборов и деталей контуров.

Неточность установки частоты играет значительную роль в передатчике с плавной настройкой. Точность установки частоты опреде-ляется качеством выполнения органов настройки, наличием зажимных винтов или других элементов, обеспечивающих неподвижность шкал настройки при вибрации и тряске аппаратуры. Для обеспечения необхо-димой точности первоначальной установки и отсчёта частоты по шкале применяют оптические шкалы. Они имеют большое число делений и снабжены увеличительной оптической системой.

Вибрация деталей особенно сильно сказывается в передатчиках подвижных радиоэлектронных устройств. Вибрация соединительных проводов, а также пластин роторов переменных конденсаторов может изменять ёмкость колебательной системы в значительных пределах. Во избежание этого применяется амортизация шасси радиопередающего устройства. Монтаж всех деталей и проводов делается жёстким. Роторы конденсаторов переменной ёмкости изготовляются из массивных пластин.

Изменение температуры приводит к изменению размеров деталей контуров и диэлектрической проницаемости изоляторов. Повышение температуры вызывает увеличение геометрических размеров металличес-ких деталей и диэлектрической проницаемости большинства изоляторов, следовательно, приводит к увеличению индуктивности и ёмкости коле-бательной системы. Следствием этого явления является постепенное понижение частоты колебаний автогенератора по мере его прогрева. Практически этот процесс происходит в первые 10 ÷ 15 минут после включения питания передатчика (рис. 14.5). Медленное уменьшение частоты передатчика, возникающее непосредственно после его включения, называется выбегом частоты. Существует две основные причины, приводящие к выбегу частоты: нагрев деталей протекающими по ним токами и нагрев деталей за счёт теплового излучения приборов.

Рис.14.5. Кривая, иллюстрирующая выбег частоты при включении передатчика.

При изготовлении задающих генераторов стремятся использовать материалы с малыми температурными коэффициентами. Так, например, изготовление катушек индуктивности осуществляется путём вжигания металла в керамический каркас. Индуктивность такой обмотки имеет ничтожный температурный коэффициент. В качестве диэлектрика конденсаторов постоянной ёмкости используют радиокерамику, а обкладки наносятся методом вжигания серебра. В наиболее ответствен-ных случаях вместо керамики применяют плавленый кварц.

Для обеспечения облегчённого температурного режима задающего генератора его мощность выбирают небольшой. Если же мощность автогенератора должна быть велика (например, в радиолокационных передатчиках), то применяют принудительное охлаждение.

В задающих генераторах связных передатчиков широко применяется термокомпенсация, т.е. использование конденсаторов с отрицательным температурным коэффициентом ёмкости (тикондовые конденсаторы).

Непостоянство напряжения источника питания приводит к измене-нию частоты радиопередатчика. Основная причина этого заключается в изменении величины сеточного тока лампы задающего генератора, от которого зависят фазовые соотношения между контурным напряжением и анодным током. Нестабильность напряжения питания вызывает также изменение пространственного заряда в лампе, т.е. изменение динамичес-ких междуэлектродных ёмкостей, входящих в состав колебательной системы задающего генератора.

Кроме того, изменение напряжения влечёт за собой изменение температурного режима генератора.

Для устранения нестабильности источников питания применяют стабилизаторы напряжения и тока.

Нестабильность нагрузки генераторов. Причиной нестабильности частоты задающего генератора иногда является цепь управляющей сетки второго каскада передатчика. Она входит в анодную нагрузку задающего генератора и поэтому может её изменять.

Изменения нагрузки задающего генератора могут быть активными и реактивными. Изменение активной составляющей нагрузки можно устра-нить, поставив второй каскад передатчика в буферный режим, т.е. в режим работы без сеточных токов. Реактивные сопротивления, вносимые в колебательную систему задающего генератора при изменении настройки антенны или промежуточных ступеней, уменьшаются за счёт введения дополнительных промежуточных каскадов, применения экрани-ровок, цепей развязки, а также использования режима умножения частоты.

Нагрузкой генератора СВЧ радиолокационной станции является антенно-фидерное устройство. Оно должно быть полностью согласовано. Поэтому особое внимание уделяют конструкции вращающихся и гибких сочленений. В таких сочленениях наиболее вероятно появление отражён-ных волн, изменяющих активную и реактивную нагрузки автогенератора.

В сантиметровом диапазоне для устранения многократного отражения электромагнитной энергии между генератором и антенной в волноводном тракте применяют ферритовые разделители. Принцип действия таких разделителей заключается в том, что ферритовая плас-тина, помещённая внутрь волновода в различной степени изменяет рас-пределение электромагнитного поля для падающей и отражённой волн. Это позволяет получить различное затухание для волн, распространя-ющихся в прямом и обратном направлениях, и превращает ферритовый разделитель в своеобразный вентиль, пропускающий электромагнитные волны от генератора к антенне и не пропускающий отражённые волны от антенны к генератору.

Изменение влажности и давления воздуха изменяет ёмкость конденсаторов с воздушным диэлектриком, так как диэлектрическая проницаемость воздуха является функцией его влажности и давления. Кроме того, повышение влажности увеличивает активную поверхностную проводимость изолирующих материалов, что приводит к уменьшению добротности, а следовательно, эталонности и фиксирующей способности колебательных систем. Поэтому в передатчиках, работающих в условиях изменяющегося давления и повышенной влажности (например, в пере-датчиках самолётных связных и радиолокационных станций), применяют герметизацию колебательных систем или генераторов в целом.

В ряде случаев целесообразно использование специальных осушителей и химических поглотителей влаги.

Смена ламп и контурных деталей. Смена ламп задающего генератора вызывает изменение частоты автоколебаний из-за различия величины междуэлектродных ёмкостей. Смена некоторых деталей также может вызвать изменение частоты генератора вследствие изменения ёмкости детали по отношению к корпусу и другим деталям. Поэтому при смене ламп задающего генератора и его деталей желательно осуществлять подстройку контура подстроечным конденсатором (если он имеется).

Кроме указанных мер, направленных на устранение внешних дестабилизирующих факторов, для стабилизации частоты используют системы автоматической подстройки частоты (АПЧ), поддерживающие заданное значение частоты генерируемых колебаний, а также применяют квантовые генераторы, принцип работы которых обеспечивает весьма высокую стабильность частоты.

Существенное повышение стабильности частоты можно получить, увеличивая добротность колебательных систем, в частности, используя вместо обычных колебательных контуров кварцевые или камертонные резонаторы, обладающие высокой эталонностью и фиксирующей способностью. В диапазоне дециметровых и сантиметровых волн для стабилизации частоты применяют короткозамкнутые четвертьволновые отрезки коаксиальных линий и объёмные резонаторы высокой добротности.

Б) Кварцевая стабилизация частоты.

Применение кварцевых механических колебательных систем в качестве резонансных систем автогенераторов позволяет снизить относи-тельную нестабильность частоты колебаний до величины порядка %, а при использовании мостовых схем и термостатов до ÷ %.

Кварц представляет собой разновидность двуокиси кремния (Si ). Использование кварца для стабилизации частоты генерируемых колеба-ний базируется на явлении пьезоэлектрического эффекта, присущего кристаллам кварца. Прямой пьезоэлектрический эффект заключается в том, что механическая деформация пластины кварца вызывает появление электрических зарядов на её гранях. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в том, что пластина кварца, помещённая в пере-менное электрическое поле, деформируется - сжимается и разжимается. При этом (вследствие прямого пьезоэффекта) на его гранях также возникают электрические заряды.

Основным преимуществом кварца как колебательной системы является большая добротность. Она достигает десятков и сотен тысяч.

Благодаря высокой добротности эталонность и фиксирующая способ-ность кварца весьма высоки.

Кристаллы кварца имеют вид шестиугольных призм с пирамидами на концах (рис.14.6). У кристаллов кварца различают несколько осей сим-метрии: оптическую ZZ, три электрические XX и три механические YY. Кварцевые пластины вырезаются из призматической части кристалла. Существует много способов ориентирования вырезаемых пластин, наиболее простые показаны на рис.14.6.

В настоящее время используются различные варианты так называ-емого косого среза (рис.14.6,г). Тип и угол среза определяются главным образом диапазоном волн. Температурный коэффициент частоты пластин косого среза близок к нулю. Это также является одним из преимуществ использования кварца по сравнению с обычным колебательным контуром.

Кварцевые пластины, используемые для стабилизации частоты, поме-щаются в специальные устройства – кварцедержатели.

Одна из возможных конструкций кварцедержателя (для металлизиро-ванных пластин) приведена на рис. 14.7. На рис.14.8, а дано условное изображение кварцевой пластины с кварцедержателем. Если в такой схеме на входные клеммы подать переменное напряжение, то в цепи возникнет переменный ток. Этот ток имеет две составляющие: реактив-ный ток , протекающий через ёмкость, образованными металлическими

Рис. 14.6. Общий вид кристалла кварца и простейшие способы ориентирования пластин, вырезанных из кристалла кварца:

пластинами кварцедержателя, и ток кварца , обусловленный наличием пьезоэффекта. Величина тока кварца зависит от частоты приложенного напряжения. При совпадении её с частотой собственных механических колебаний кварца амплитуда колебаний максимальна. Пьезоэлектричес-кий ток оказывается наибольшим, а его фаза совпадает с фазой прило-женного напряжения. Поэтому кварцевую пластину можно уподобить последовательному контуру. Собственная частота колебаний кварца зависит от типа среза и геометрических размеров пластины. Для раз-личных видов среза значение собственной частоты кварца (в МГц) колеблется от = до = , где d – толщина пластины, мм.

Рис. 14.7. Устройство кварцедержателя.

Рис. 14.8. Условное обозначение (а) и эквивалентная схема (б) кварцевой пластины с кварцедержателем.

Так, например, для пластины X – среза и колебаний по толщине (вдоль оси X) собственная частота равна .

Следует отметить, что кроме основных резонансных частот каждая кварцевая пластина обладает также рядом дополнительных (паразитных) резонансов. Однако при правильно выбранном угле среза дополнитель-ные резонансы расположены далеко от основной частоты и возбужде-ние пластины на дополнительной частоте не происходит.

Для небольших расстроек вблизи собственной частоты кварцевая пластина может быть представлена в виде эквивалентной схемы, изоб-ражённой на рис. 14.8 ,б. На этой схеме кварц представлен в виде последовательного колебательного контура . Ёмкость – статическая ёмкость пластин кварцедержателя. Параметры эквивалентной схемы зависят от размеров пластин и типа среза.

Обычно эквивалентная ёмкость кварца равна десятым или сотым долям пикофарады. Эквивалентная индуктивность кварца – от долей до десятков миллигенри. Эквивалентное сопротивление кварца измеряется единицами или десятками Ом. Следовательно, добротность последовательного контура порядка десятка тысяч.

Статическая ёмкость кварцедержателя равна 10 ÷ 40 πФ, т.е. в сотни раз больше эквивалентной ёмкости кварца Поэтому собственная резонансная частота кварца как последовательного контура равна:

= (14.4)

Эта частота близка к собственной частоте эквивалентного параллельного контура, с учётом ёмкости кварцедержателя эта частота определяется по формуле:

= (14.5)

Применяя правила приближённого вычисления, можно записать:

≈ (14.6)

Так как , то отличие частоты параллельного резонанса от частоты последовательного резонанса не превышает десятых долей процента.

На рис. 14.9 приведены графики, показывающие зависимость реактивного и полного сопротивлений кварца от частоты (график изображён без учёта активных потерь в кварце).