СТАБИЛЬНЫЙ АВТОГЕНЕРАТОР НА 430—440 Мгц
А.ЯШИН (UA3PY)
Туннельные диоды являются весьма перспективными приборами для использования их в УКВ и СВЧ генераторах. Если большинство электронных приборов имеют ограничения по частоте, связанные с влиянием времени пролета электронов, то предельные частотные свойства туннельных диодов определяются лишь величинами паразитных параметров: емкостью р-п перехода и сопротивлением потерь, сам же механизм проводимости — туннельный эффект — в принципе не должен зависеть от частоты до 1013 мГц. Поэтому туннельные диоды сразу же стали применяться в практических схемах СВЧ гене раторов.
Использовать туннельный диод в генерирующем устройстве позволяет то обстоятельство, что он на падающем участке вольтампернои характеристики (рис. 1) проявляет свойства активного двухполюсника.
Рис. 1. Вольтамперная характеристика и импульс тока туннельного диода.
Iпик и Uпик — токи напряжение пика вольт-амперной характеристики.
Iмин и Uмин — ток и напряжение впадины, вольт амперной характеристики.
Qв и Qн — верхний и нижний углы отсечки импульса тока.
Залогом стабильности работы этих генераторов являются низкий уровень внутренних шумов, стабильность в большом диапазоне температур, а также очевидная простота и механическая прочность их конструкций. Не последнюю роль играет надежность устройств на туннельных диодах, что обусловлено весьма длительным сроком службы последних.
Рис. 2. Эквивалентная схема туннельного диода.
Эквивалентная схема туннельном) диода (рис. 2) дает выражение для критической (резистивной) рабочей частоты диода, работающего в схеме генератора:
где Rпер — дифференциальное сопротивление перехода туннельного диода, Спер — емкость р-п перехода диода; Rг — сопротивление потерь, включающее в себя потери в толщине кристалла, вводах и паянных соединениях. Lг — эквивалентная индуктивность вводов и патрона корпуса туннельного диода — является чисто конструктивным параметром и в формулу не входит.
Используемый в описываемой конструкции туннельный диод АИ201А имеет fкр=1 Ггц, то есть запас по частоте составляет 2,3 раза. Можно также применить диод типа АИ201В, но так как его fкр=550 Мгц, генерация будет менее устойчивой.
Для того, чтобы рабочая точка диода была устойчивой, необходимо выполнение двух условий:
где R1пит — внутреннее сопротивление источника питания, и установление оптимальной связи контура с диодом. В данной конструкции последнее условие обеспечивается частичноц емкостной связью диода с колебательной системой (см. рис. 3). Очень слабая связь диода с контуром Q
р=C0/C1=0,01 (р — коэффициент связи диода с контуром, С0 — полная емкость колебательной системы, C0=З пф) сводит к минимуму влияние реакшвностей диода на стабильность генерируемых колебаний. Правда, при этом сужается температурный диапазон автогенератора. Но такое решение вполне оправдано, тем более, что радиолюбительская, чаще всею стационарная аппаратура УКВ не требует особенно большой температурной стабильности.
Рис. 3. Принципиальная схема автогенератора.
Выбранный в данной конструкции режим генерирования (см. рис. 1) позволяет при очень небольшом коэффициенте гармоник (для выбранных углов отсечки коэффициент гармоник равен 0,032 при равных нулю четных гармониках) получить амплитуду автоколебаний Um=210 мв. Выходная колебательная мощность равна:
Pмакс=0,12(Iпик-Iмин)(Uмин—Uпик),
что составляет величину порядка 0,6 мвт. Эта формула справедлива для диодов, у которых Rт<6 ом, для диодов же с 6 < Rт < 8 ом следует ожидать небольшого уменьшения колебательной мощности.
Напряжение и ток постоянного смещения данного режима работы соответственно составляют 310 мв и 2,3 ма. Следует отметить, что ввиду малого коэффициента перекрытия можно не учитывать изменения стабильности генерирования по диапазону.
Контур автогенератора конструктивно представляет собой короткозамкнутую коаксиальную линию, нагруженную на разомкнутом конце емкостью контура (рис. 4).
Рис. 4. Схема подключения туннельного диода к коаксиальному резонатору.
Точку а выбирают таким образом, чтобы ее ВЧ потенциал относительно земли был равен нулю, что обеспечивает минимум влияния источника питания на резонансные свойства колебательной системы. Подвод постоянного смещения к контуру в такой точке создает определенные конструктивные затруднения, так как отношение индуктивностей L' и L" составляет р=0,01. Поскольку для средней частоты диапазона (435 Mгц)L=0,045 мкгн, то, соответственно, L'=0,00046 мкгн и L" =0,04454 мкгн и весьма трудно практически выделить тот отрезок линии аб, индуктивность которого равна 0,00046 мкгн. В данной конструкции (см. рис. 5) концу внутреннего стержня придана коническая форма, в результате чего погонная индуктивность убывает, и участок аб как бы растягивается.
Волновое сопротивление линии равно 75 ом.
Рис. 5. а — сборочный чертеж, б — детали резонатора. 1 — корпус резонатора; 2 — винт настройки; 3 — гайка; 4 — диск; 5 — заглушка; 6 — гайка; 7 — винт; 8 — внутренний стержень резонатора; 9 — стопорный винт; 10 — обойма; 11 — коаксиальный кабель; 12 — петля связи; 13 — изолятор; 14 — игла; 15 — контактный лепесток; 16 — пластина; 17 — шайба; 18 — мембрана; 19 — винт; 20 — резистор R3, 21 — кронштейн; 22 — винт настройки; 23 — гайка; 24 — неподвижная обкладка конденсатора С2: 25 — вкладыш; 26 — фланец; 27 — диод Д1; 28 — конденсатор С1.
Емкость конденсатора Сг должна изменяться в пределах 3,01—3,09 пф.
Это обеспечивается прогибом тонкой стальной мембраны 18 при повороте винта 22, являющегося приводом верньерного устройства. Начальное расстояние между обкладками С2 равно 0,5 мм.
Материал детали 13 — текстолит, детали 25 — органическое стекло, остальных — латунь или медь, посеребренная или облуженная. Винт 2 с припаянным к его торцу диском 4 диаметром 10 мм служит для подстройки контура.
ВЧ энергия отводится с помощью петли связи 12. Наиболее сложным в изготовлении является узел С1— С2—R3—Д1. Конденсатор С1 — типа КТК с удаленными выводами и снятым слоем защитной краски. Диод Д1 одним выводом припаян к торцу центрального стержня 8 линии, другим — к обкладкам конденсаторов С1 и С2, Резистор R3 вставлен в отверстие вкладыша 25. Один его вывод припаян к обкладке конденсатора С2, а другой — к пластине 16 через отверстие в изоляторе 13. Иглу 14 после установки точки нулевого потенциала на центральном стержне линии 8 припаивают к пластине 16. Для точной установки зазора между обкладками конденсатора С3 следует подобрать толщину шайбы 17.
Для предотвращения короткого замыкания при минимальных зазорах следует на торец диска 4 и обкладку 24 конденсатора С2 приклеить пластинки слюды толщиной 0,05 мм.
Остальные элементы конструкции ясны из чертежа. Зачерненными треугольниками показана пайка по контуру (периметру) соединения деталей. Остальные детали скрепляются клеем БФ-2. Сопротивление резистора R3— типа УЛМ-0,12 подобрано g точностью +2%. Резисторы R1 и R2 расположены конструктивно вне корпуса автогенератора. Резистор R2 с точностью ±5%— типа МГП, УЛС или МЛТ-0,25, резистор R1 — проволочный, с механической фиксацией положения.
При монтаже следует обратить особое внимание на сохранность туннельного диода: изгиб выводов его производить на расстоянии не менее 2 мм от корпуса диода, во время пайки не перегревать выше 185°С, применяя припой с температурой плавления менее 260°С, обязательно использовать теплоотвод, паять не более 3 сек и не ближе 3 мм. При изгибе выводов диода необходимо жестко фиксировать его корпус. Максимальное давление на корпус диода не должно превышать 1,5 кг.
В качестве источника питания применен стабилизированный транзисторным компенсационным стабилизатором выпрямитель с делителем на выходе. Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя должен быть не более 10-6.
Точку нулевого потенциала определяют по показаниям подключенного к игле ВЧ лампового милливольтметра. Изменением сопротивления резистора R1 устанавливают рабочую точку. Далее согласовывают автогенератор с нагрузкой (усилительным каскадом, утроителем на диапазон 1215—1300 Мгц и т. д.). Это достигается изменением площади петли связи. В момент наилучшего согласования будет наблюдаться небольшое уменьшение тока, что можно зафиксировать микроамперметром, включенным в цепь источника смещения. Как было уже выше сказано, подстройка контура автогенератора осуществляется винтом с диском. После подстройки винт жестко фиксируется.
Данный автогенератор дает меньшую, нежели ламповые автогенераторы, выходную мощность, но обеспечивает большую стабильность, что является его основным достоинством. Если ламповые генераторы редко обеспечивают относительную нестабильность частоты лучше (1—3) 10-4, то автогенератор на туннельном диоде при наличии стабилизированного источника питания с относительной нестабильностью 10-3 и при сравнительно постоянной окружающей температуре воздуха дает нестабильность порядка 10-5—10-6. Если к тому же весь прибор термостатировать, можно достичь относительной нестабильности (3—5)10-7.
РАДИО № I, 1971 г, c.23-25