5.3: Відображення осцилятора

Конструкція стабільних НВЧ-осциляторів традиційно використовує однопортовий критерій стійкості генератора, окреслений Курокава [11, 12]. Більшість двопортових осциляторів можуть бути розроблені шляхом лиття їх у вигляді однопортового осцилятора. При застосуванні умови кожна з мереж - активний пристрій, резонаторне навантаження і закінчення пристрою - характеризуються як однопортові.

5.3.1 Умова коливання Курокава

Умова коливань для генератора стійкого відбиття може бути виражена через допуски мережі резонатора\(Y_{r} = G_{r} + \jmath B_{r}\), і активної мережі\(Y_{d} = G_{d} + \jmath B_{d}\), див.\(\PageIndex{1}\) Рис. Умова генератора Курокава встановлює, що для стабільних (одночастотних) коливань [11]

\[\label{eq:1}\left.\left(\frac{\partial G_{d}}{\partial V}\frac{\partial B_{r}}{\partial\omega}-\frac{\partial B_{d}}{\partial V}\frac{\partial G_{r}}{\partial\omega}\right)\right|_{V=V_{0},\omega = \omega_{0}}>0 \]

де індексит\(0\) відноситься до робочої точки,\(r\) відноситься до резонатора, і\(d\) відноситься до активного пристрою. Характеристики активного пристрою та резонатора, показані на малюнках\(\PageIndex{1}\) (б і в), задовольняють умові Курокава. У рівнянні\(\eqref{eq:1}\)\(V_{0}\) - амплітуда коливань на межі розділу активної та резонаторної мереж. Якщо умова в Рівнянні не\(\eqref{eq:1}\) виконується, то генератор може одночасно коливатися на декількох частотах. Умова коливання Курокава повинна бути дотримана в усі часи, що включає під час запуску, в тому числі при застосуванні зміщення, генератора.

З генератором фіксованої частоти резонаторна мережа є лінійною так\(G_{r}\) і\(B_{r}\) не залежить від амплітуди і\(G_{r}\) (за конструкцією) не залежить від частоти. \(B_{r}\)змінюється в залежності від частоти. В ідеалі активний пристрій має незалежний від\(G_{d}\) частоти і амплітудний незалежний\(B_{d}\). Досягнення цього є основним завданням проектування. З цими умовами\(\partial B_{d}/\partial V\approx 0\)\(\partial G_{r}/\partial \omega_{0}\approx 0\) і

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Робота генератора відображення: (а) однопортовий генератор; (б) як амплітуда коливань збільшується, величина провідності пристрою\(|G_{d}|\), зменшується в той час як провідність ланцюга резервуара\(G_{r}\), постійна; і (c) як частота коливань збільшується, сприйнятливість контуру бака, змінюється при цьому\(B_{r}\),\(B_{d}\) (в ідеалі) не змінюється.

Умова Курокава в рівнянні\(\eqref{eq:1}\) спрощує

\[\label{eq:2}\left.\left(\frac{\partial G_{d}}{\partial V}\frac{\partial B_{r}}{\partial\omega_{0}}\right)\right|_{V=V_{0},\omega =\omega_{0}}>0 \]

Таким чином конструкція значно спрощується для генератора фіксованої частоти з високочастотним\(Q\) резонатором.

5.3.2 Підхід до проектування осцилятора відображення

При підключенні приладу з\(Y_{d} = G_{d} + \jmath B_{d}\) допуском в шунті до резонатора допуску\(Y_{r} = G_{r} +\jmath B_{r}\) (див. Рис.\(\PageIndex{1}\) (а)) амплітуду напруги\(A\) і радіанову частоту\(\omega\) результуючого коливання рівноваги визначають при\(−G_{d}(A) = G_{r}(\omega)\) і\(−B_{d}(A) = B_{r}(\omega )\). Тут припущення полягає в тому, що провідність пристрою є лише сильною функцією амплітуди напруги, тоді як допуск резонатора є функцією лише кутової частоти. Ця умова може бути представлена графічно, спочатку позначивши локус негативу комплексного допуску пристрою як\(−Y_{d}(A) = −[G_{d}(A)+\jmath B_{d}(A)]\) (також називається зворотним коефіцієнтом відбиття пристрою, або\(1/\Gamma\) локусом (іноді його називають\(1/S\) локусом)) і локусом резонатора допуск як\(Y_{r}(\omega ) = G_{r}(\omega )+\jmath B_{r}(\omega )\). Потім для стабільного одночастотного коливання перетин цих локусів відбувається в одній точці (тобто при єдиній комбінації амплітуди і частот).

У більшості конструкцій генератора мета полягає в тому, щоб зробити прийом пристрою незалежним від частоти, і, звичайно, прийом лінійної схеми резервуара не залежить від амплітуди коливального сигналу. Ці умови коливань зображені на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b і в). На малюнку\(\PageIndex{1}\) (б) зі збільшенням амплітуди коливань величина провідності приладу\(|G_{d}|\), зменшується при цьому провідність контуру бака\(G_{r}\), постійна. На малюнку\(\PageIndex{1}\) (c), коли частота коливань збільшується, сприйнятливість контуру бака, змінюється\(B_{r}\), тоді як\(B_{d}\) (в ідеалі) повільно змінюється. Перетину визначають амплітуду і частоту коливань.

Якщо прийом пристрою залежить від частоти, то складно уникнути множинних перетинів\(−Y_{d} (1/\Gamma_{d})\) і\(Y_{r} (\Gamma_{r})\) локусів, як розглядаються в складній площині. Кут перетину\(Y_{r}\)\(−Y_{d}\) локусів і є важливим показником стійкості, що стосується множинних коливань, проблем запуску генератора та надлишкового шуму [13]. Таким чином, відповідне кутове перетин цих локусів є критичним. Важко досягти всіх цілей у проектуванні, якщо не залежить\(Y_{d}\) від частоти.

В ідеалі конструкція резонатора вимагає, щоб\(Q\) бути максимально, щоб\(G_{r}\approx 0\). Це може бути досягнуто за допомогою мікрохвильового генератора фіксованої частоти, оскільки резонатор може бути реалізований з конденсатором та сегментом лінії передачі, обидва з яких мають дуже низькі втрати. Однак перебудовувані конденсатори в конструкції ГУН втрачені, і\(Q\) тому не високий. Два типи осциляторів потребують різного підходу до проектування. Крім того, для ГУН настройка напруги резонатора повинна відповідати критеріям стійкості, включаючи єдину точку перетину та відповідний кут перетину, в діапазоні налаштування. З акцентом на ці характеристики і оскільки існують пристрої ємнісних паразитів, досягнення належного стабільного інтерфейсу резонатор-пристрій може бути клопітно. Альтернативним і не менш життєздатним підходом до аналізу стійкості широкого класу осциляторів, особливо для тих, хто використовує тритермінальні пристрої, є застосування двопортових критеріїв, розроблених для оцінки стійкості підсилювача. Однак однопортовий підхід до проектування віддають перевагу дизайнерам мікрохвильовки, оскільки однопортове підключення ближче до передбачуваної операції. Однопортова оцінка стійкості генератора не відрізняється від критеріїв Боде, застосованих до двопортових систем зворотного зв'язку [14, 15]. Однак, на відміну від двопортової оцінки стійкості з відкритим контуром, метод однопортової характеристики зручно узгоджується з вимірами, які можуть бути зроблені VNA [16, 17]. Крім того, нелінійний граничний ефект активного пристрою легко вимірюється.

5.3.3 Резюме

Конструкція мікрохвильового генератора незмінно використовує підхід осцилятора відбиття, в якому однопортова мережа активних пристроїв підключена до однопортової резонаторної мережі. Конструкція досить складна і необхідно спростити конструкцію і обмежити простір дизайну. Процедура, яка майже повсюдно дотримується, полягає в проектуванні характеристик, показаних на малюнку\(\PageIndex{1}\). Конструкція генератора фіксованої частоти ще більше спрощується, оскільки провідність резонатора майже дорівнює нулю.