Измерительные генераторы сигналов диапазона 300 МГц...40 ГГц предназначены для измерения чувствительности приемных устройств СВЧ диапазона, исследования диаграмм направленности антенн, измерения параметров элементов высокочастотных трактов радиорелейных линий и телевизионных ретрансляторов.
Измерительные генераторы СВЧ должны обеспечивать работу с различными видами модуляции несущей, к ним предъявляются достаточно жесткие требования по экранированию СВЧ излучения.
Типичная структурная схема измерительного генератора СВЧ представлена на рисунке ниже. В качестве активного элемента задающего генератора до настоящего времени используют отражательные клистроны, снабженные внешним (в диапазоне частот 7...8 ГГц) или внутренним объемным резонатором, являющимся эквивалентом колебательного контура. Геометрическая форма, размеры и материал резонатора определяют частоту генерации. Перестройка частоты осуществляется изменением геометрических размеров резонатора путем перемещения внутри него замыкающих перемычек или упругой деформации самого резонатора. В небольших пределах частоту можно изменять электрическим образом — изменяя напряжение на отражателе клистрона.
Аналогично изменяя режим работы клистрона, можно также реализовать частотную и амплитудно-импульсную модуляцию несущей частоты.
Для генераторов СВЧ на клистронах характерен небольшой коэффициент перекрытия по частоте (1,1...2), что связано с ограниченными возможностями перестройки частоты задающих генераторов с объемными резонаторами. Поэтому такие генераторы либо выпускают в виде серий однотипных приборов, рассчитанные на требуемые участки всего СВЧ диапазона, либо в виде одного прибора, но с несколькими задающими генераторами.
Задающие генераторы СВЧ на отражательных клистронах имеют достаточно громоздкую конструкцию и требуют больших и стабильных напряжений питания. В последнее время все чаще в качестве активных элементов задающих генераторов СВЧ используют диоды Ганна — полупроводниковые приборы на основе арсенида галлия. При определенном напряжении питания диод Ганна представляет собой отрицательное сопротивление, что приводит к возбуждению в подключенном к диоду объемном резонаторе СВЧ колебаний.
Для работы в нижней части рассматриваемого диапазона частот (ниже 8...10 ГГц) в настоящее время уже созданы СВЧ транзисторы, которые тоже начинают использовать в качестве активных элементов задающих генераторов.
Стабильность частоты задающих генераторов СВЧ определяется стабильностью механических параметров объемных резонаторов, электрического и температурного режимов активного элемента. Для часто используемых коаксиальных резонаторов из латуни кратковременная нестабильность частоты имеет порядок 10-4. Одним из современных технических решений является использование сферических ферритовых объемных резонаторов из ферромагнитного кристалла железоиттриевого граната, помещенного в магнитное поле (ЖИГ-резонаторов). Кратковременная нестабильность частоты таких генераторов менее 10-6. Изменением напряженности внешнего магнитного поля можно широко перестраивать ЖИГ-резонаторы (коэффициент перекрытия до 2) и производить частотную модуляцию.
Как правило, в диапазоне СВЧ используют самые различные виды модуляции: амплитудную и частотную низкочастотным сигналом, амплитудно- и частотно-импульсную при различной скважности импульсов и т. п. Следует отметить, что модуляция несущей изменением режима работы задающего генератора обычно связана с появлением паразитной модуляции: например, амплитудная модуляция приводит к появлению паразитной частотной и наоборот. Поэтому в современных измерительных генераторах амплитудную модуляцию осуществляют на выходе прибора.
Установочным аттенюатором регулируют уровень сигнала, поступающего на вход направленного ответвителя, который разделяет поток высокочастотной энергии на две части. К одному выходу направленного ответвителя, являющемуся некалиброванным выходом измерительного генератора, подключается встроенный (или внешний) частотомер гетеродинного типа. С другого выхода направленного ответвителя сигнал подается на основной калиброванный выход прибора.
Для создания аттенюаторов СВЧ обычно используют явление затухания сигнала в так называемом предельном волноводе.
В настоящее время в качестве аттенюатора СВЧ все шире начинают использовать полупроводниковые p—i—n-диоды. Принцип действия такого аттенюатора заключается в том, что под действием управляющего тока р—i—n-диод открывается и шунтирует мощность СВЧ сигнала пропорционально значению управляющего тока. При отсутствии управляющего тока p—i—n-диод закрывается и вносит в тракт СВЧ лишь незначительное начальное ослабление.
Измеритель мощности вместе с установочным аттенюатором позволяет установить опорный уровень выходной мощности, относительно которого производится ослабление выходного сигнала калиброванным аттенюатором. В СВЧ диапазоне уровень выходного сигнала оценивают именно по мощности, а не по напряжению или току, поскольку размеры входных и выходных цепей приборов соизмеримы с длиной волны. Небольшое отличие полных сопротивлений источника и нагрузки от характеристического сопротивления передающего тракта приведет к неоднозначности оценки напряжения вдоль линии передачи. Измерение напряжения в волноводах вообще лишено практического смысла. Мощность же, передаваемая в нагрузку без потерь, является величиной постоянной в любом сечении тракта СВЧ и поэтому позволяет оценить уровень сигнала более точно.
Измеритель мощности СВЧ сигнала размещается внутри измерительного генератора, однако обычно имеет отдельный вход. Его можно подключить к основному выходу через внешний разъем с помощью кабеля. Используя измеритель мощности, можно выделить управляющий сигнал для системы АРУ, которая, воздействуя на p—i—n-аттенюатор, будет поддерживать постоянную мощность либо на выходе генератора, либо в требуемой точке измерительной схемы, включающей исследуемый объект.