ВЧ генераторы. Виды и устройство. Применение и особенности

Электронные устройства, классифицируемые как ВЧ генераторы, широко применяются в различной аппаратуре, предназначенной для специальных целей. Без ВЧ модулей и соответствующих им схем сегодня не обходится ни один радиопередатчик или измерительный прибор, используемый для настройки чувствительной аппаратуры. Помимо этого такие генераторы нередко применяются при необходимости тактирования частоты и управления работой сложных импульсных устройств.

Что собой представляют ВЧ генераторы конструктивно

В состав схемы генераторного устройства входят нелинейные элементы особого типа, позволяющие получить нужную передаточную характеристику. Обеспечить незатухающие колебания высокой частоты удается за счет применения «глубокой» положительной обратной связи (ОС), охватывающей типовой усилительный каскад.

Основная конструктивная особенность генераторов – использование в цепи ОС высокодобротных LC контуров, обеспечивающих получение нужной частоты. Получить такие значения с помощью резистивно-емкостных цепочек, как правило, не удается из-за характерных для них длительных переходных процессов.

Различные генераторные конструкции нередко выполняются в виде функциональных модулей или блоков, встраиваемых непосредственно в устройства. В зависимости от своего назначения они могут иметь соответствующие габариты.

Технические характеристики высокочастотных генераторов

К основным эксплуатационным показателям, которые полностью характеризуют ВЧ генераторы в качестве задающих устройств, относят:

Диапазон генерируемых частот в герцах.
Выходную мощность в ваттах.
Показатель стабильности частоты (в процентах герца).
Коэффициент нелинейных искажений или гармоник (он выражается в процентах).

Первый из этих параметров варьируется в диапазоне от нескольких сотен килогерц до десятков ГГц. Показатель выходной мощности зависит от конкретной разновидности и предназначения генератора. Он может колебаться от тысячных долей ватта и вплоть до сотен кВт.

Стабильность генерируемых частот зависит от используемого схемного решения и наличия в нем специальных элементов, поддерживающих этот параметр в допустимых границах. Требования к этому показателю задаются еще на стадии разработки генерирующего модуля и также зависят от его целевого назначения.

Нелинейные искажения – важнейшая характеристика устройства, значение которой в ВЧ генераторах не должно превышать определенного предела. При нарушении этого требования генерируемый сигнал сильно искажается, а сама схема не сможет выполнять свои основные функции в полном объеме.

Классификация ВЧ генераторов

Различные исполнения генерирующих устройств отличаются следующими характерными признаками:

Полоса генерируемых частот.
Номинальная выходная мощность.
Форма колебаний.
Области применения.
Габариты модульного изделия.

Согласно первому признаку ВЧ генераторы делятся на приборы, работающие в радиовещательном диапазоне (10кГц-50МГц), а также на изделия, генерирующие метровые и ДМ волны (4-1200 МГц). Отдельную группу представляют СВЧ устройства с рабочими частотами выше 1 ГГц.

По второму признаку генераторы подразделяются на следующие виды:

Аппараты со сравнительно низкой выходной мощностью.
Изделия со средним значением этого показателя.
Мощные генерирующие модули.

По форме выходного сигнала эти приборы делятся на синусоидальные генераторы, а также на устройства, позволяющие получать прямоугольные ВЧ импульсы. Нередко в специальных целях выпускаются генераторы ВЧ колебаний сложной формы.

В соответствие со своим прямым назначением ВЧ генераторы делятся на изделия, используемые в следующих видах специальной аппаратуры:

Радиовещательные передатчики и радиоприемники.
Специальная аппаратура связи (рации).
Тактовые генерирующие устройства.
Измерительные генераторы.

Габариты устройств зависят от их мощности и занимаемого модулем места в пределах корпусной части изделия.

Где применяются ВЧ генераторы

Эти устройства широко применяются не только в радиотехнической практике в качестве измерительных генераторов, например. Их основное назначение – работа в радиопередатчиках и узлах связи, используемых в различных сферах человеческой деятельности. К последним следует отнести:

Космическую связь.
Радиолокационные системы.
Авиационные диспетчерские комплексы радиосвязи.
Оперативную военную связь и службы МЧС.
Железнодорожную, речную и морскую диспетчерскую связь.
Логистику и службы автоперевозок.
Охрану объектов от проникновения посторонних лиц.
Лечебные и профилактические мероприятия.

Кроме того, ВЧ генераторы широко применяются в лабораторных условиях с целью регулировки, настройки и контроля радиотехнических устройств. С их помощью проверяются специальные измерительные линии, антенные устройства (фидеры) и множество других видов специальной аппаратуры. При проведении электротехнических исследований эти устройства востребованы при измерении характеристик цепей с распределенными параметрами и нагрузками.

ВЧ генераторы в медицине

В медицинской практике используется свойство э/м колебаний, получаемых в ВЧ генераторах, прогревать мышечные ткани и клетки организма при длительном воздействии на них. Такая возможность связана с высокой энергетической «заряженностью» высокочастотных колебаний.

С физической точки зрения это объясняется большой скоростью перемещения частиц, из которых состоит электромагнитная волна. Меняя интенсивность и частоту генерируемых устройством волн, удается достигнуть нужного лечебного эффекта.

Свойства ВЧ колебаний, их преимущества и недостатки

Основное достоинство ВЧ колебаний, формируемых генераторными устройствами, состоит в их высоком энергетическом потенциале, позволяющем волнам распространяться на огромные расстояния. Именно эта особенность ВЧ сигналов наряду с прямолинейностью их излучения используется в радиосвязи и локации.

Еще одно уникальное свойство высокочастотных волн – тепловое воздействие, оказываемое ими на плотные по структуре вещества и тела. Указанная особенность ВЧ колебаний позволяет использовать их в медицине, в СВЧ печах и в нагревательных устройствах различного типа.

Перечисленные достоинства генераторных модулей оцениваются с учетом реальных условий эксплуатации нагревательных печей, а также особенностей работы радиопередающей и измерительной аппаратуры. Дело в том, что для получения нужного эффекта электромагнитные колебания высокой частоты должны обладать большой энергией. Это значит, что при разработке формирующего их ВЧ генератора потребуется увеличивать его мощность, что связано с большими материальными издержками.

К недостаткам радиотехнических и радиолокационных устройств относят свойство ВЧ волн поглощаться телами достаточной плотности, после чего их энергия превращается в тепловую форму. Эффективность передачи сигналов на удаленные расстояния или способность определения местонахождения движущихся объектов в этом случае резко падает.

Практические схемы задающих генераторов

Задающие ВЧ генераторы чаще всего собираются на основе простейших LC контуров или кварцевых резонаторов, относящихся к зависящим от частоты элементам. Цепочки из индуктивностей и емкостей в некоторых схемах генераторных устройств легко заменяются кварцами соответствующей резонансной частоты. Различают несколько схем ВЧ генераторов, отличающихся типом и местом установки задающего частоту контура.

Индуктивная 3-х точка

Схема генератора ВЧ, выполненного по этому принципу (Рис.-1). Ее особенность состоит в наличии положительной обратной связи, образованной отводом от катушки индуктивности L1. Поддержание режима постоянной генерации ВЧ колебаний достигается за счет передачи части их энергии с выхода на вход схемы. Частота генератора задается параметрами резонансного контура L1C1.

Рис.-1

К недостаткам простейших схем типа «индуктивная 3-х точка» относят низкую стабильность частоты и необходимость поддержания температурного режима работы модуля.

Первый и самый важный из этих минусов объясняется эффектом шунтирования биполярным транзистором задающей частоту цепочки (колебательного контура). Избежать этого недостатка позволяет замена обычного полупроводникового прибора на элемент с высоким входным сопротивлением.

Индуктивная 3-х точка на полевом транзисторе

При использовании этого типа полупроводникового элемента его высокое сопротивление по входу ослабляет эффект шунтирования колебательного контура и его зависимость от нагрузки. Благодаря этому удается повысить стабильность частотных характеристик генераторного устройства и добиться устойчивости работы всего задающего каскада.

Рис.-2

Добавим к этому, что его схема (Рис.-2) полностью повторяет рассмотренный ранее вариант на биполярном транзисторе.

Емкостная 3-х точка

Задающий генератор ВЧ, собранный по схеме емкостной 3-х точки на биполярном транзисторе (Рис.-3). Здесь обратная связь образуется не за счет подключения к части обмотки катушки, как это делалось в предыдущем случае.

Рис.-3

В этом случае она берется с одной половинки емкостного делителя, входящего в состав колебательного контура. У данной схемы, как и в предыдущем случае, имеются те же недостатки (нестабильность частоты и зависимость режима работы от величины нагрузки). Устраняются они точно таким же образом, когда вместо обычного биполярного транзистора в схемном решении используется его полевой аналог.