МАЛОШУМЯЩИЙ СВЧ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК H03B5/12 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к полупроводниковым СВЧ генераторам на транзисторах.

Была поставлена задача разработки полупроводниковогот СВЧ генератора с очень низким уровнем частотных шумов не более 130 150 дБ/Гц в полосе частот анализа 10 100 кГц и высокой долговременной стабильностью частоты 10⁶ 10⁸ в режиме фазовой автоподстройки частоты, где в качестве эталона частоты используется опорный кварцевый (или квантовый) генератор.

Среди полупроводниковых активных элементов наименьшее значение коэффициента шума вблизи несущей имеют биполярные транзисторы, к тому же в сантиметровом диапазоне уровень их выходной мощности достаточен для осуществления эффективного режима стабилизации. Поэтому малошумящие генераторы целесообразно разрабатывать на биполярных транзисторах.

Широко известным методом снижения частотных шумов и повышения долговременной стабильности частоты СВЧ-генератора является применение параметрической стабилизации высокодобротным резонатором [1]
Наиболее эффективны две схемы СВЧ генераторов на транзисторах стабилизированных высокодобротным резонатором с включением резонатора по схеме четырехполюсника в цепи положительной обратной связи (например, между коллектором и эмиттером транзистора) и с подключением резонатора по схеме двухполюсника к одному из электродов транзистора.

В качестве высокодобротных резонаторов в настоящее время широко используются объемные и диэлектрические резонаторы (ДР). Объемные резонаторы обладают более высокой добротностью по сравнению с диэлектрическими, но имеют значительные массу и габариты, в связи с этим они чаще применяются в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

Для повышения добротности колебательной системы в конструкциях генераторов с ДР иногда используются специальные линии передачи с малыми потерями, например, с подвешенной подложкой. При этом микроволновые проводники СВЧ генератора и ДР размещают на противоположных сторонах подложки, а в целом генератор заключают в герметичный корпус [2] Механическая перестройка частоты генератора в этом случае осуществляется винтом, вводимым через стенку корпуса вдоль оси ДР.

Достоинством данной конструкции генераторта является возможность получения низкого уровня частотных шумов при использовании объемных и лейкосапфировых резонаторов, а недостаток сравнительно невысокая долговременная стабильность частоты в интервале температур, обычно не лучше 10⁴, что недостаточно для многих применений.

Более высокой стабильностью обладают СВЧ генераторы с системой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с опорным кварцевым генератором.

Так в [3] приведены конструкции СВЧ генераторов на биполярных транзисторах, предназначенных для использования с системой ФАПЧ. Отличительной особенностью таких генераторов является наличие электрической перестройки частоты, которая должна перекрывать исходную нестабильность частоты генератора в автономном режиме.

Прототипом изобретения является СВЧ генератор [3] содержащий биполярный транзистор, базовый вывод которого заземлен, эмиттер транзистора соединен с первым микрополосковым шлейфом, а коллектор транзистора соединен с вторым микрополосковым шлейфом и микрополосковой линией, второй конец которой соединен с нагрузкой, микрополосковая линия электромагнитно связана с диэлектрическим резонатором, который в свою очередь электромагнитно связан с второй полосковой линией, к одному концу которой подключен первый вывод варикапа, на второй вывод которого подается управляющее напряжение.

Достоинством данного генератора является высокая стабильность частоты, определяемая высокой стабильностью опорного генератора системы ФАПЧ, а недостатком сравнительно высокий уровень частотных шумов, так как нагруженная добротность его колебательной системы невысока. Это обусловлено включением в колебательную систему непосредственно к ДР варикапа, являющегося низкодобротным элементом, а также тем, что ДР расположен в одном отсеке с микрополосковой схемой СВЧ генератора. Отметим, что увеличение нагруженной добротности колебательной системы за счет уменьшения коэффициента включения варикапа в такой конструкции не возможно, так как при этом уменьшается диапазон электрической частоты, и он станет меньше, чем нестабильность генератора в автономном режиме.

Указанные недостатки устранены в предложенной схеме малошумящего СВЧ генератора. В этой схеме, содержащей биполярный транзистор, базовый вывод которого заземлен, металлизированную с одной стороны диэлектрическую подложку, высокодобротный резонатор управляющий варикап, причем первый микрополосковый шлейф подключен к эмиттеру транзистора, а второй микрополосковый шлейф подключен к коллектору транзистора, новым является то, что к первому микрополосковому (МПЛ) шлейфу подключен третий МПЛ шлейф, разомкнутый на конце второй МПЛ шлейф электромагнитно связан с высокодобротным резонатором, выполненным в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, через щель связи, выполненную в слое металлизации подложки, расположенную перпендикулярно второму МПЛ шлейфу и оси высокодобротного резонатора вдоль его радиуса, щель связи выполнена на расстоянии, равном четверти длины волны (λ/4) в МПЛ от коллектора транзистора, к второму МПЛ шлейфу подключен четвертый МПЛ шлейф разомкнутый на конце, к мосту соединения первого и третьего МПЛ шлейфов подключен согласованный 50-омный резистор, выход СВЧ генератора подключен к месту соединения второго и четвертого МПЛ шлейфов и соединен с входом системы ФАПЧ, первый выход системы ФАПЧ соединен с управляющим варикапом, один вывод которого через пятый МПЛ шлейф подключен к месту соединения первого и третьего МПЛ шлейфов, второй вывод варикапа заземлен, второй выход системы ФАПЧ соединен с электромагнитным устройством подстройки частоты, расположенном на торцевой стенке высокодобротного резонатора, которая выполнена в виде упругой мембраны.

Такое построение позволяет обеспечить снижение уровня частотных шумов СВЧ генератора на биполярном транзисторе при сохранении высокой стабильности частоты и отсутствии паразитных колебаний.

Другие СВЧ генераторы на транзисторах, имеющие такое построение не известны.

На фиг. 1 показана принципиальная схема СВЧ генератора с системой ФАПЧ; на фиг. 2 топология МПЛ целей генератора; на фиг.3 конструкция высокодобротного резонатора.

Эмиттер транзистора 1 подключен к первому МПЛ шлейфу, к концу которого подключен третий МПЛ шлейф 3, разомкнутый на конце, причем к месту соединения первого и третьего МПЛ шлейфов подключен согласованный резистор (50 Ом) 4, второй МПЛ шлейф 5 подключен к коллектору транзистора 1 и электромагнитно связан с высокодобротным резонатором 6, через щель связи 7, выполненную в слое металлизации диэлектрической подложки 8, причем щель связи 7 расположена перпендикулярно второму МПЛ шлейфу 5 и оси высокодобротного резонатора 6 вдоль его радиуса, щель связи 7 отстоит на расстояние равное четверти длины волны в МПЛ от коллектора транзистора 1, к концу второго МПЛ шлейфа 5 подключен четвертый МПЛ шлейф 9 разомкнутый на конце, выход СВЧ генератора подключен, в месте соединения второго 5 и четвертого 9 МПЛ шлейфов и соединен с входом системы ФАПЧ 10, первый выход системы ФАПЧ 10, подключен к управляющему варикапу 11, первый вывод которого через пятый МПЛ шлейф 12, подключен в место соединения первого 2 и третьего 3 МПЛ шлейфов, второй вывод варикапа заземлен, второй выход системы ФАПЧ 10 соединен с электромагнитным устройством управления частотой 13, которое связано с упругой мембраной 14, являющейся дном резонатора 6.

На чертеже показаны элементы L, C, R фильтров цепей питания транзистора и варикапа, а также разделительные конденсаторы C_р.

Для достижения высокого качества сигнала в генераторе реализован метод комбинированной параметрической и электрической стабилизации частоты.

Сущность этого метода заключается в следующем. В СВЧ генераторе одновременно осуществляются два режима работы параметрическая стабилизация высокодобротным контуром для достижения очень низкого уровня частотных шумов и электрическая с помощью внешнего низкочастотного эталона для получения высокой долговременной стабильности частоты.

Параметрическая стабилизация обеспечивается высокодобротным резонатором (например, объемным на типе волны Н_o12 собственная добротность Q_o ≈ 20000) в режиме затягивания частоты генератора под частоту резонатора. Электрическая стабилизация осуществляется подстройкой частоты генератора системой ФАПЧ с высокостабильным опорным генератором (например кварцевым). Принципиальным в этом режиме является то, что полоса используемой ФАПЧ должна быть узкой не более 1 кГц с таким расчетом, чтобы за счет фазовой автоподстройки компенсировать лишь медленные уходы частоты, определяющие долговременную стабильность частоты генератора, а кратковременная стабильность частоты должна сохраняться высокой, достигнутой при параметрической стабилизации резонатором. В этом случае на частотах анализа выше 1 кГц спектральные характеристики сигнала имеют низкий уровень частотных шумов в широкой полосе доплеровских частот и происходит снижение шумов с ростом частоты анализа (F), по закону близкому 1/F².

Для реализации метода комбинированной стабилизации необходимо ввести в колебательную систему генератора, сильно стабилизированного высокодобротным резонатором, быстродействующий элемент электрической подстройки частоты, который бы позволял получить полосу перестройки, достаточную для перекрытия исходной нестабильности частоты генератора в автономном режиме и в тоже время не снижал эквивалентную добротность колебательной системы, определяющей уровень частотных шумов. Обеспечить соответствующие характеристики перестройки частоты с помощью введения в схему генератора одного только варикапа оказывается невозможным из-за низкой собственной добротности последнего и недопустимости по этой причине сильного включения варикапа в высокодобротную колебательную систему генератора.

Решить эту проблему оказалось возможным на основе применения в генераторе двух элементов электрической подстройки частоты: электромагнитного типа и варикапа, электромагнитное устройство располагается на торцевой стенке стабилизирующего резонатора и обеспечивает грубую подстройку его частоты в полосе до 10 МГц с помощью прогиба стенки резонатора при подаче тока управления на катушку электромагнита. Точность установки частоты при этом составляет приблизительно десятки килогерц.

Недостатком такого элемента перестройки является его инерционность, не позволяющая получить стабильность частоты выше 10⁶, а достоинством - сохранение высокой добротности колебательной системы генератора.

Для обеспечения более точной быстрой подстройки частоты (до уровня стабильности 10⁶ 10⁸) в схему генератора дополнительно включен варикап. При этом для уменьшения влияния потерь диода (варикапа) на добротность колебательной системы генератора реализован режим минимально необходимого включения варикапа, обеспечивающий полосу перестройки частоты лишь 50 100 кГц.

Сочетание двух рассмотренных элементов электрической подстройки частоты в одном генераторе позволяет надежно реализовать режим ФАПЧ, в условиях эксплуатации, и в результате получить высокую долговременную стабильность частоты не хуже 10⁶ и уровень частотных шумов не более (-130 дБ/Гц) на частоте анализа 10 кГц.

Для обеспечения глубокой параметрической стабилизации высокодобротный резонатор включен в коллекторную цепь транзистора по схеме двухполюсника, а варикап с целью уменьшения рассеиваемой на нем СВЧ мощности в эмиттерную цепь.

Возбуждение колебаний в СВЧ генераторе обеспечивается за счет внутренней положительной обратной связи в транзисторе, создаваемая емкостью между коллектором и эмиттером (C_кэ). Оптимизация размеров МПЛ шлейфов в цепи коллектора и коэффициент связи с высокодобротным резонатором позволяет реализовать эффективный режим параметрической стабилизации частоты при требуемом уровне выходной мощности. Необходимое минимальное включение варикапа достигается выбором длин МПЛ шлейфов в эмиттерной цепи транзистора.

Для предотвращения возбуждения паразитных колебаний эмиттерная цепь генератора нагружена на согласованный резистор Z_o 50 Ом, равный по величине волновому сопротивлению линии.

В целом наличие оптимизируемых по длине двух МПЛ шлейфов и щели связи в коллекторной цепи и трех МПЛ шлейфов в эмиттерной цепи позволяет удовлетворить всему комплексу требований по параметрической и электрической стабилизации, подавлению паразитных колебаний, уровню выходной мощности на заданной частоте при сохранении оптимального электрического режима, соответствующего используемому типу транзистора. Расчет геометрии указанных МПЛ шлейфов производится на ЭВМ с применением специально разработанной для этих целей программы [4]
У экспериментальных образцов генераторов 3-сантиметрового диапазона длин волн достигнута стабильность частоты 10⁶ 10⁸ при уровне частотных шумов не более 130 дБ/Гц на 10 кГц от несущей, при этом уровень частотных шумов дополнительно снижается по закону близкому 1/F².

Источники информации
1. Бычков С.И. Буренин Н.И. и Сафаров Р.П. Стабилизация частоты генераторов СВЧ. Сов.радио, 1962.

2. Патент США N 4609883.

3. Абраменков А.И. и др. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в перестраиваемых полупроводниковых генераторах. Обзоры по электронной технике. Сер.1. Электроника СВЧ, вып.5, 1988, с.31, рис.3.

4. Зырин С.С. Применение базовой модели биполярного транзистора для расчета СВЧ-автогенераторов и усилителей. Электронная техника. Сер.1. Электроника СВЧ, вып.3, 1989.

Использование: в СВЧ генераторах на транзисторах. Сущность изобретения: устройство содержит биполярный транзистор, базовый вывод которого заземлен, металлизированную с одной стороны диэлектрическую подложку, высокодобротный резонатор, управляющий варикап. Первый микрополосковый (МПЛ) шлейф подключен к эмиттеру биполярного транзистора, а второй МПЛ шлейф подключен к его коллектору. К первому МПЛ шлейфу подключен третий МПЛ шлейф, разомкнутый на конце, а второй МПЛ шлейф электромагнитно связан с высокодобротным резонатором, через щель связи, выполненную в слое металлизации подложки и расположенную перпендикулярно второму МПЛ шлейфу и оси резонатора вдоль его радиуса. К второму МПЛ шлейфу подключен четвертый МПЛ шлейф, разомкнутый на конце, а к месту соединения первого и третьего МПЛ шлейфов подключен согласованный 50-омный резистор. 3 ил.

Малошумящий СВЧ-генератор, содержащий биполярный транзистор, базовый вывод которого соединен с общей шиной, вывод коллектора соединен через первый отрезок микрополосковой линии с выходом, вывод эмиттера подсоединен к одному из концов второго отрезка микрополосковой линии, и управляющий варикап, расположенные на диэлектрической подложке со слоем металлизации, а также высокодобротный цилиндрический резонатор, электромагнитно связанный с первым отрезком микрополосковой линии, и блок фазовой автоподстройки частоты, отличающийся тем, что введены первый и второй разомкнутые микрополосковые шлейфы, третий отрезок микрополосковой линии, согласованный резистор и электромагнитный узел подстройки частоты, а высокодобротный цилиндрический резонатор, выполненный в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, связан с первым отрезком микрополосковой линии через щель в слое металлизации, расположенную перпендикулярно первому отрезку микрополосковой линии и оси высокодобротного цилиндрического резонатора и вдоль радиуса одного из его торцов на расстоянии λ/4 от коллектора биполярного транзистора, где λ длина волны в микрополосковой линии, при этом другой конец второго отрезка микрополосковой линии соединен с первым разомкнутым микрополосковым шлейфом и согласованным резистором и через третий отрезок микрополосковой линии подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй вывод которого соединен с общей шиной, а к выходному концу первого отрезка микрополосковой линии подсоединены второй разомкнутый микрополосковый шлейф и вход блока фазовой автоподстройки частоты, первый выход которого подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй выход соединен с электромагнитным узлом подстройки частоты, расположенным на другом торце высокодобротного цилиндрического резонатора, выполненного в виде упругой мембраны.