Высокостабильные генераторы СВЧ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физический факультет

И. Н. Иванова, В. В. Махно, 

Ю. М. Нойкин

ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЕ 

ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ

Учебное пособие

по специальному лабораторному практикуму
«Нелинейные твердотельные устройства СВЧ»

(специальность 03.03.03 – Радиофизика)

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.382 (075.8)
ББК 32.85я73

И18

Печатается по решению Ученого совета физического факультета 
Южного федерального университета, протокол № 7 от 26.06.2017

Рецензенты:

зав. кафедрой радиофизики физического факультета ЮФУ 

д. ф.-м. н., профессор Г. Ф. Заргано;

д. ф.-м. н., профессор РГУПС В. Н. Таран

Ответственный редактор

д. ф.-м. н., профессор А. М. Лерер

Иванова, И. Н.
Высокостабильные генераторы СВЧ : учебное пособие / 
И. Н. Иванова, В. В. Махно, Ю. М. Нойкин ; отв. ред. 
А. М. Лерер ; Южный федеральный университет. – 
Ростов-на-Дону ; Таганрог : Изд-во ЮФУ, 2018. – 102 с.
ISBN 978-5-9275-2956-8

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по 

направлению подготовки 03.03.03 – Радиофизика, и содержит теоретические основы и рекомендации по выполнению лабораторных 
работ по изучению принципа действия, параметров и характеристик высокостабильных генераторов СВЧ, а также их практического 
применения. 

УДК 621.382 (075.8)

ББК 32.85я73

ISBN 978-5-9275-2956-8 
© Южный федеральный университет, 2018

© Иванова И. Н., Махно В. В., Нойкин Ю. М., 2018

© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

И18 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................................................................5
Опорный генератор ...................................................................................6

1. Общие положения ..............................................................................6
2. Кварцевые резонаторы .....................................................................7
3. Общие характеристики кварцевых генераторов ......................13
4. Высокочастотные кварцевые генераторы ..................................19
5. Изучаемый генератор ......................................................................24
6. Задание ................................................................................................27
7. Методика измерений .......................................................................27
8. Указание мер безопасности ...........................................................30
9. Подготовка к измерениям ..............................................................30
10. Измерение частоты выходного колебания генератора .........32
11. Измерение зависимости частоты выходного колебания 
генератора от управляющего напряжения ....................................32
12. Измерение спектральной характеристики выходного 
колебания генератора ..........................................................................33
13. Указания к расчетам и оформлению результатов ..................34
14. Контрольные вопросы ..................................................................35
Литература .............................................................................................35

Высокостабильный генератор на диоде Ганна ................................36

1. Общие положения ............................................................................36
2. Принцип действия диодного генератора ...................................38
3. Стабилизация частоты генераторов на диодах Ганна .............47
4. Обьемные СВЧ-резонаторы...........................................................48
5. Диэлектрические резонаторы .......................................................50
6. Изучаемый высокостабильный генератор .................................58
7. Описание лабораторной установки .............................................60
8. Указание мер безопасности ...........................................................61
9. Подготовка измерений ....................................................................61
10. Проведение измерений .................................................................61
11. Указания к оформлению результатов .......................................63
12. Контрольные вопросы ..................................................................64
Литература .............................................................................................65

ПАВ-генератор ..........................................................................................67

1. Общие положения ............................................................................67
2. Распространение и возбуждение поверхностных 
акустических волн в твердых телах .................................................68
3. ПАВ-резонаторы ..............................................................................71
4. Линия с однократной задержкой .................................................75
5. Генератор со стабилизирующим элементом на ПАВ ...............79
6. Параметры полупроводниковых СВЧ-генераторов ................80
7. Стабилизация генераторов ПАВ-элементом .............................87
8. Изучаемый ПАВ-генератор ...........................................................90
9. Описание лабораторной установки .............................................94
10. Указание мер безопасности .........................................................95
11. Подготовка к измерениям ............................................................96
12. Измерение уровня фазовых шумов ...........................................97
13. Измерение временных характеристик ......................................97
14. Измерение выходных характеристик ........................................97
15. Указания к оформлению результатов .......................................97
16. Контрольные вопросы ..................................................................99
Литература .............................................................................................99

ВВЕДЕНИЕ

Задача поиска решений, связанных с миниатюризацией радио
технических устройств (линий задержки, полосовых и резонансных 
фильтров, автогенераторов) и повышением их технических характеристик, привело к появлению самостоятельного направления радиотехники, получившего название акустоэлектроники, которая 
изучает вопросы возбуждения, распространения и приема высокочастотных акустических волн в объеме и на поверхности твердых 
тел, а также взаимодействие этих волн с электромагнитными полями. В качестве материалов в современной акустоэлектронике используются пьезоэлектрические диэлектрики и пьезоэлектрические 
полупроводники.

Среди различных типов акустических волн наиболее широкое 

применение в технике нашли поверхностные акустические волны (ПАВ). К основным преимуществам устройств на ПАВ можно 
отнести миниатюрность, определяемую малой скоростью распространения ПАВ, небольшие потери в используемых материалах, относительно высокий уровень допустимой рассеиваемой мощности, 
высокую устойчивость к внешним механическим воздействиям, высокую воспроизводимость технических характеристик и невысокая 
цена.

В настоящее время известен широкий класс функциональных 

устройств на ПАВ − линии задержки, полосовые и резонансные 
фильтры, автогенераторы, усилители, фазовращатели и т. п.

ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Изменение во времени параметров окружающей среды, механи
ческие воздействия, нестабильность источников питания, а также 
шумовые составляющие токов активных элементов и тепловой шум 
колебательной системы влияют на частоту и амплитуду колебаний 
автогенератора. Отклонение частоты задающего генератора невозможно устранить в последующих каскадах. Поэтому жесткие нормы на стабильность частоты должны быть выдержаны в возбудителе [1].

Используя колебательные системы с большой добротностью и 

стабильной собственной частотой, можно добиться высокой стабильности частоты автогенераторов. Таким требованиям удовлетворяют резонаторы, изготовляемые из некоторых естественных 
или искусственных кристаллов, обладающих пьезоэлектрическими 
свойствами, например, из кварца [1].

Кварцевые генераторы (КГ) широко применяют в современной 

радиоэлектронике. Они используются в технике радиосвязи, радиолокации, телеметрии, измерительной и вычислительной технике, в 
бытовых приборах, таких как наручные электронные часы, магнитофоны, телевизоры, микрофоны и др. Использование КГ позволяет 
создать радиоаппаратуру высокой точности и большой надежности, 
которая одновременно будет проста в эксплуатации, иметь небольшие габариты и потреблять малую мощность [1].

Надлежит отметить, что КГ используются на очень большом диа
пазоне частот: от нескольких килогерц до сотен мегагерц. Наряду с 
традиционным применением кварцевых генераторов для стабилизации частоты возбудителей, гетеродинов и синтезаторов частоты, 
в последнее время их начали использовать для измерения (с весьма 
высокой точностью) давления, деформации, ускорения, температуры, влажности и большого числа других параметров [1].

Опорный генератор

2. КВАРЦЕВЫЕ РЕЗОНАТОРЫ

2.1. Свойства кварцевых резонаторов

Форма природных и синтетических кристаллов кварца напоми
нает шестигранную призму с пирамидами на концах. Некоторые 
свойства кристалла зависят от направлений относительно главных 
кристаллографических осей: оптической zz в соответствии с рисунком 1, а, трех электрических xx и трех механических yy в соответствии 
с рисунком 1, б. Резонаторы в виде прямоугольных или круглых плоскопараллельных пластин или чечевиц вырезают из кристалла кварца, ориентируя их оси симметрии определенным образом по отношению к осям кристалла [2]. Данное свойство существенно влияет 
на характеристики резонаторов, в первую очередь на температурный 
коэффициент частоты (ТКЧ). Соотношения между направлениями 
осей называют видом среза или просто срезом (рис. 2).

Рисунок 1 – Изображение кристалла кварца (a) 

и его кристаллографических осей (б)

Высокостабильные генераторы СВЧ: учебное пособие

2.2. Конструкция

Устройство 
простейшего 

резонатора подобно плоскому 
конденсатору. Он состоит из 
пластины кварца, в две противоположные грани которого 
вжигают слои серебра, играющие роль электродов конденсатора [2]. Пластину, укрепленную 
в 
кварцедержателе, 

помещают в баллон с выводами для включения резонатора 
в электрическую цепь в соответствии с рисунком 3.

Корпус резонатора защи
щает пьезоэлемент от механических и климатических воздействий. Имеется несколько 
типов выводов: Ж – жесткие, 
предназначенные для разъ
Рисунок 3 – Изображение 
простейшего резонатора

Рисунок 2 – Виды среза кристалла кварца (а – прямой, б – косой)

Опорный генератор

емных соединений; Г – гибкие, предназначенные для соединения 
с генератором пайкой или сваркой; П – жесткие, с выводами для 
припайки. Типичные размеры корпуса L = 11,1–20,3 мм, H = 13,5– 
19,7 мм, B = 4,7–10,2 мм. Корпуса резонаторов можно разделить на 
герметизированные и вакуумные. Герметизированные корпуса бывают только металлическими. Внутренний объем в них заполняется 
сухим воздухом или инертным газом. Вакуумные корпуса бывают 
стеклянные и металлические.

2.3. Принцип действия

Приложенное к электродам напряжение вызывает деформацию 

пластины, пропорциональную напряженности электрического поля. 
В свою очередь, изменения размеров пластины (например, при сжатии или растяжении) вызывают появление зарядов на электродах. 
В этом проявляется действие обратного и прямого пьезоэлектрического эффекта [2]. Если подвести к резонатору переменное напряжение, в соответствии с рисунком 4, изменение зарядов на электродах создает ток в цепи (пьезоток) в дополнение к току, проходящему 
через резонатор как через обычную емкость.

«Пьезоток» резко возрастает при совпадении частоты приложен
ного напряжения с каждой из многих собственных частот упругих 
механических колебаний пластины кварца. Возможны колебания 
сжатия, растяжения, сдвига, изгиба и т. д. В кварце, как в системе с 

Рисунок 4 – Схема включения резонатора в цепь

Высокостабильные генераторы СВЧ: учебное пособие

распределенными параметрами, колебания возбуждаются на основной частоте и на приблизительно кратных ей частотах механических 
гармоник. Частоты колебаний зависят от вида деформации и размеров пластины. Так, для колебаний сдвига по толщине основная 
частота

                                                 Fкв=kf /d,
(1)

где d – толщина пластины, мм; kf =1,7–3,3 МГц*мм – частотный коэффициент, зависящий от среза.

Повышение частоты требует изготовления тонких пластин, что 

связано с технологическими трудностями. Для серийных резонаторов обычно выполняют пластины не тоньше 0,2–0,3 мм на частоту 
основных колебаний не выше 15–30 МГц. Стабилизация более высоких частот возможна на механических гармониках кварца.

2.4. Эквивалентная схема

Поведение резонатора в электрической цепи описывается экви
валентной схемой в соответствии с рисунком 5, а. Она состоит из 
параллельно соединенных статической емкости кварца C0 и бесконечного ряда последовательных контуров Lkn, Ckn, Rkn (n = 1, 3, 5 …), 
которые моделируют изменение пьезотока кварца от частоты вблизи его резонансных частот. (Схема справедлива для резонаторов на 
частоты до 200–300 МГц. На более высоких частотах необходимо 
учитывать индуктивности выводов электродов).

Емкость C0 ≈ 3–10 пФ складывается из емкостей конденсатора с 

кварцевым диэлектриком, кварцедержателя и выводов.

Индуктивности Lkn и емкости Ckn в соответствии с рисунком 5, а 

характеризуют соответственно инерционные и упругие свойства 
пластины кварца, а Rkn– потери энергии в ней. Значения Lkn, Ckn, 
Rkn резко отличаются от L, C, R обычных электрических контуров, 
выполненных на ту же частоту. Обычно Lkn на несколько порядков больше L, а Ckn– на несколько порядков меньше C. В результате 
характеристическое сопротивление контуров ρkn=(Lkn/Ckn)1/2=105–
108 Ом. Сопротивление потерь Rkn в зависимости от вида колебаний 

Опорный генератор

и частоты имеет значение от единиц до нескольких Ом, добротности 
контуров высокие Qkn= ρkn/Rkn=104–107. При таких добротностях для 
небольших отклонений частоты от каждой из собственных частот 
контура справедлива упрощенная схема в соответствии с рисунком 5, б. Параметры контура Lkn, Ckn, Rkn определяют на частоте выбранной механической гармоники [2].

Следует отметить, что для всех видов колебаний емкость контура 

Ck значительно меньше статической емкости C0, так что 

CK/C0 = 10–3 – 10–4.

На рисунке 5, в представлена схема замещения, где

Zкв = Rk + jXk.

2.5. Характеристики резонаторов

1) Как видно из эквивалентной схемы (рис. 5), резонатор имеет 

частоты последовательного и параллельного резонансов:

                                                                                                                  .

Поскольку CK/C0 < 1, интервал (fn – fk)/fk порядка 10–3–10–4.
2) Коэффициент m, входящий в последнюю формулу, однозначно 

характеризует полосу частот между последовательным и параллельным резонансами. Это – важный параметр резонатора, называют его 
емкостным отношением m = CK/C0. Иногда пользуются обратным 
отношением емкостей, называемым емкостным коэффициентом.

Рисунок 5 – Эквивалентные схемы (а – полная схема, 

б – упрощенная схема, в – схема замещения)

Высокостабильные генераторы СВЧ: учебное пособие

3) Емкостное отношение зависит от среза, размеров и формы пье
зоэлемента и электродов, от порядка колебаний и других параметров резонаторов. В некоторых случаях пользуются понятиями характерных резонансной fr и антирезонансной fα частот, при которых 
полное электрическое сопротивление носит активный характер.

4) В генераторе резонатор может возбуждаться на частотах, от
личных от fn, fk, fr, fα. Реальное значение частоты колебаний резонатора в генераторе называют рабочей частотой f.

5) Для рабочей частоты приведенная расстройка

e = (f – fk)/(fn – fk) = (f – fk)/Δfnk = (ω – ωk)/0,5m ωk.

Следует отметить, что значение приведенной расстройки e

(в дальнейшем для простоты будем называть просто расстройкой) 
для частоты последовательного резонанса равно нулю, для частоты 
параллельного резонанса – 1.

6) Одной из важных характеристик резонаторов является темпе
ратурная стабильность частоты

                                                                                       ,  
  
       (2)

где                                      – температурный коэффициент n-го порядка 
резонатора; t0 – начальная температура; f0 – частота, соответствующая 
температуре t0.

Для широко используемых рабочих интервалов можно ограни
читься значением n = 3.

7) Отношение реактивных сопротивлений динамической индук
тивности или динамической емкости резонатора на частоте последовательного резонанса к его динамическому сопротивлению называют добротностью:

Qk = XLk/Rk = XCk/Rk = 1/ ωkCkRk = ωkLk/Rk.

Добротность резонатора определяет стабильность частоты квар
цевого генератора и зависит от вида и порядка колебаний, среза, 
размеров и конфигурации кристаллического элемента и электродов,