Развитие летательных аппаратов требует все более высокой точности измерения высоты как для их автоматической и слепой посадки, так и для поддержания полета на заданной высоте. Для измерения высот от 1-2 м до 3-5 км обычно применяют радиовысотомеры, работающие в режиме частотной модуляции. Подобно им устроены и многие другие радиоэлектронные устройства ближней локации, например, радиоуровнемеры, предназначенные для точных бесконтактных измерений уровней сыпучих и жидких сред в больших емкостях на танкерном флоте, в плавильных печах в металургии, в элеваторах и т.д.
Основным элементом радиовысотомеров и радиоуровнемеров, работающих в режиме частотной модуляции, является ГУН, выполняющий одновременно функции задающего генератора ЧМ передатчика и гетеродина приемника. Как правило диапазон электрической перестройки ГУНов, предназначенных для рассматриваемых радиолокационных устройств, не превышает 5-10 %. Но при этом особое значение приобретает требование линейности частотной характеристики, от степени которой главным образом зависит точность измерений.
Линейность частотной характеристики как параметр ГУНа определяется перепадом дифференциальной крутизны электрической перестройки, который для различных областей применения должен находиться в пределах от 1.05 до 1.5-2. Были исследованы три способа линеаризации частотной характеристики ГУНов.
1. Современный уровень технологии позволяет создавать варакторые диоды с наперед заданной вольт - фарадной характеристикой, в частности, с такой, которая с известной степенью точности обеспечивает линейную зависимость частоты генерации от управляющего напряжения. Подбор необходимой вольт-фарадной характеристики осуществляется расчетно - экспериментальным методом, суть которого заключается в следующем.
На первом этапе предварительно оптимизируют схему СВЧ генератора, в которой для перестройки частоты используется стандартный варактор, например, с резким или сверхрезким переходом, с предварительно замеренной вольт-фарадной характеристикой. Разработана программа для персональных компьютеров, с помощью которой на основе известной вольт-фарадной характеристики и зависимости частоты от управляющего напряжения для конкретных параметров схемы генератора можно вычислить, какую вольт-фарадную характеристику должен иметь варактор, обеспечивающий в этом генераторе линейную зависимость частоты от управляющего напряжения. Затем эта вольт-фарадная характеристика пересчитывается в профиль легирования полупроводника, из которого изготавливается варактор.
Однако этот метод должен применяться с известной степенью осторожности, т.к. в силу ограничений, накладываемых на варактор, можно получить такую диодную структуру, при которой резко уменьшается выходная мощность генератора вплоть до полного срыва колебаний.
Все это говорит о том, что для варакторов со специальным профилем легирования следует ожидать существенных ограничений по верхнему значению рабочей частоты, по величине диапазона перестройки и по значению средней крутизны электрической перестройки - важнейшим параметрам ГУНа. Кроме этого, следует учитывать, что воспроизведение расчетного профиля легирования в полупроводнике в ходе технологического процесса изготовления варактора представляет сложную проблему.
Для СВЧ генератора «Глубина» по теме «Пурга» был разработан бескорпусной кремниевый варактор со специальным профилем легирования со следующими параметрами: С = 0.2 пФ, К = 20, R = 1 Ом, напряжение пробоя U = 40 В. СВЧ - генератор «Глубина» предназначен для использования в приемо - передающем модуле радиоуровнемера, работающем в диапазоне частот 10.7..11.3 ГГц.
Генератор создан в бескорпусном исполнении. Микросхема генератора изготовлена по гибридно - монолитной технологии на поликоровой плате размером 6x7.5x0.5 мм, которая с помощью припоя ПОС-61 припаяна к медному золоченому основанию. В качестве активного элемента использован кристалл полевого транзистора 3П608А-5, а управляющего - кристалл варакторного диода «Пурга». В качестве разделительных и контурных емкостей используются конденсаторы типа К26-4, а роль индуктивностей выполняют отрезки золотой проволоки диаметром 40 мкм. Основание вместе с микросхемой закрепляется с помощью винтов в корпусе приемо-передающего модуля. В качестве развязки использован микрополосковый вентиль ФПВН2-37 с обратными потерями не менее 30 дБ.
Относительно малый уровень выходной мощности обусловлен требованием высокой надежности генератора: при выходной мощности 20-30 мВт изменение управляющего СВЧ напряжения на варакторе может вызвать лавинный пробой, что приводит к появлению нежелательных токов утечки, нарушающих работу приемо-передающего модуля.
2. Использование варакторов со специальным профилем легирования не привело к созданию ГУНов, у которых перепад дифференциальной крутизны был бы лучше 1.5...2. Однако для радиовысотомеров современных летательных аппаратов и, в первую очередь, самолетов и вертолетов, для которых обеспечение точности и надежности работы равносильны сохранению жизней экипажей и пассажиров, такая степень линейности не приемлема. Поэтому при создании ГУНов с более линейной частотной характеристикой были использованы другие методы ее линеаризации.
Одним из возможных путей решения задачи связан с использованием методов радиотехнической коррекции. В этом случае создание генераторов с линейной частотной характеристикой предпочтение обычно отдается пассивным линеаризаторам на диодно - резистивных делителях, т.к. они, в отличие от активных транзисторных схем, обеспечивают более высокую температурную стабильность ГУНов и имеют малую (0.1...0.2 Вт) потребляемую мощность. Основное требование к генератору при использовании таких делителей заключается в том, чтобы он имел монотонную частотную характеристику.