ОТКРЫТАЯ ИЗЛУЧАЮЩАЯ СИСТЕМА Российский патент 1998 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к технике СВЧ, а именно, к приемо-передающим устройствам, основанных на открытых резонансных излучающих системах с полупроводниковыми диодами, и может быть использовано в мобильных системах связи, радиолокации, радиовидения и др.

Известен генератор СВЧ [1], в котором полупроводниковые диоды размещены в открытой резонансной системе на поверхности плоского зеркала, а второе зеркало содержит волноводный вывод энергии. Генератор отличается повышенной мощностью и стабильностью колебаний, однако его габариты во всех трех измерениях существенно превышают длину волны, а для создания на его основе передатчика необходима антенная система, устройства согласования и развязки генератора с нагрузкой.

Известен преобразователь СВЧ [2], состоящий из двух открытых резонаторов с общим плоским зеркалом, на котором размещен полупроводниковый диод, квазиоптическим и волноводным вводом-выводом СВЧ-энергии, имеющий широкий диапазон рабочих частот и малые потери преобразования. Однако габариты преобразователя во всех трех измерениях существенно превышают длину волны, а сам преобразователь для работы в составе открытой излучающей системы требует дополнительных устройств согласования и развязки.

Известна антенная система, основанная на эффекте преобразования поверхностной волны планарного диэлектрического волновода в объемную при дифракции на элементах периодической структуры, расположенной вблизи волновода [3]. Эта антенная система отличается высокой направленностью, технологичностью изготовления, малыми габаритами вдоль оси излучения.

Известна резонаторная антенна, представляющая собой большой открытый резонатор, часть поверхности которого (апертура) обладает малой прозрачностью [4]. Антенна отличается малыми габаритами вдоль оси излучения, но она не содержит активных элементов, способных генерировать СВЧ-излучение.

Ближайшим по назначению и технической сущности аналогом- прототипом предлагаемой открытой излучающей системы является микроволновый полупроводниковый автогенератор [5], в котором цилиндрический самогенерирующий диод из арсенида галлия, работающий в режиме ограничения накопления пространственного заряда, размещен в фокусе сегментно-параболической антенны. Частота генерации определяется концентрацией примеси и диаметром диода, а также параметрами пустотелого диэлектрического цилиндра, окружающего диод. Однако в этом устройстве не учитывается возможное влияние параболического рефлектора на частоту генерации, а диаграмма направленности формируется с приемлемыми параметрами только в Н- плоскости.

В рассмотренных устройствах задачи генерирования и преобразования СВЧ-колебаний, формирования диаграммы направленности решаются независимо друг от друга, поэтому создание на их основе открытой резонансной излучающей системы зачастую сводится к взаимно противоречивым требованиям к отдельным элементам, что в свою очередь приводит к необходимости включения дополнительных согласующих и развязывающих устройств, а сама открытая излучающая система в результате обладает малоприемлемыми массогабаритными и радиотехническими характеристиками.

Задача, решаемая данным изобретением, - генерирование и преобразование колебаний СВЧ полупроводниковыми диодами, стабилизация частоты колебаний, формирование диаграммы направленности в единой открытой резонансной излучающей системе, имеющей приемлемые массогабаритные и радиотехнические характеристики.

Задача согласно изобретению достигается тем, что в известный полупроводниковый автогенератор, состоящий из рефлектора в виде сегмента цилиндрической поверхности с прямоугольным раскрывом, полупроводникового диода, расположенного на оси симметрии рефлектора с его вогнутой стороны и источника напряжения смещения, дополнительно введены: планарный диэлектрический волновод, введенный в раскрыв рефлектора; периодическая структура, размещенная вблизи планарного диэлектрического волновода; второй рефлектор, на оси симметрии которого с его вогнутой стороны размещен второй полупроводниковый диод, расположенные на противоположном конце планарного диэлектрического волновода.

Сущность изобретения может быть сформулирована следующим образом. В предложенной открытой излучающей системе генерирование и стабилизация СВЧ-колебаний обеспечиваются размещением полупроводниковых диодов в поле высокодобротного открытого резонатора, образованного двумя рефлекторами, планарным диэлектрическим волноводом и периодической структурой. При этом выбор открытой излучающей системы в виде плоского резонатора с планарным диэлектрическим волноводом обеспечивает разреженный спектр колебаний, высокую добротность и хорошее согласование с полупроводниковыми диодами при малых поперечных размерах системы. Действительно, выбором толщины планарного диэлектрического волновода и соответствующей ориентацией диодов имеется возможность возбудить в волноводе только волну E₁ в рабочем диапазоне частот. Это способствует разрежению спектра открытого резонатора и повышению устойчивости генерации колебаний. Кроме того, для разрежения спектра колебаний плоского открытого резонатора можно использовать селективные свойства периодической структуры, расположенной вблизи широкой стенки планарного диэлектрического волновода. Высокая добротность плоского открытого резонатора обеспечивается большими продольными размерами системы (по сравнению с длиной волны), а также малыми потерями в диэлектрике, так как большая часть энергии поля поверхностной волны E₁ переносится вне планарного диэлектрического волновода.

Преобразование частоты колебаний при работе в режиме приема- передачи осуществляется заменой одного из полупроводниковых диодов на смесительный диод, причем выбором расположения диода в поле резонатора и подбором напряжения смещения можно осуществить оптимальные условия для преобразования частоты колебаний. Возможен также автодинный режим работы открытой излучающей системы, при котором в качестве преобразователя частоты принимаемого сигнала может выступать и генераторный диод.

Формирование требуемой диаграммы направленности осуществляется при дифракции волны E₁ планарного диэлектрического волновода на периодической структуре с соответственно выбранными параметрами ее элементов и апертурой. Включение излучающей апертуры в состав плоского открытого резонатора обеспечивает ее симметричную запитку, близкую к равномерной. Благодаря большой запасенной энергии, в открытом резонаторе имеется возможность снизить величину связи между планарным диэлектрическим волноводом и периодической структурой. Это, с одной стороны, позволяет уйти от резонансных режимов периодической структуры и соответственно снизить омические потери в периодической структуре, а с другой, при малой связи снижается влияние периодической структуры на фазовую скорость волны в планарном диэлектрическом волноводе. Выбранная излучающая апертура в составе открытой излучающей системы органично связана с ее другими элементами (открытым резонатором, полупроводниковыми диодами) и отличается малыми габаритами вдоль оси излучения.

При основном режиме работы открытой излучающей системы прием/передача сигналов происходит по нормали к поверхности периодической структуры на одной частоте, однако данное устройство обладает потенциальными возможностями формирования как многолепестковой диаграммы направленности, так и работы на двух независимых частотах при соответствующем выборе параметров его элементов.

Модуляция излучаемой мощности в заявляемом устройстве кроме управления по цепям питания генераторного диода может также осуществляться при использовании в качестве второго диода PIN- переключателя, который при подаче управляющего сигнала возвращает в излучающую апертуру часть сигнала, прошедшего ко второму рефлектору. Следует отметить, что кроме АМ-модуляции возможна и ЧМ-модуляция излучения при выборе параметров устройства, когда общий набег фазы волны между диодами не кратен π . Кроме того, использование PIN-переключателя позволяет сформировать двухлучевую диаграмму направленности устройства при выборе параметров устройства, обеспечивающих излучение в направлении, отличающемся от нормали к поверхности периодической структуры.

Использование в качестве второго диода PIN-аттенюатора позволяет по заданному закону поглощать часть мощности, достигающей второго рефлектора, и тем самым осуществлять модуляцию излучения устройства.

При использовании в устройстве приемного диода и PIN-переключателя можно также осуществить коммутацию приема сигналов хотя бы из двух направлений при выборе параметров устройства, обеспечивающих диаграмму направленности луча, отличную от нормали к периодической структуре.

Благодаря многофункциональности каждого из элементов данной открытой излучающей системы и их органической взаимосвязи нет необходимости в дополнительных СВЧ-устройствах типа согласователей, ответвителей, циркуляторов, смесителей и др. , поэтому имеется возможность получить хорошие массогабаритные и радиотехнические характеристики всего устройства.

Рефлекторы могут быть выполнены в виде сегмента параболического цилиндра, в этом случае полупроводниковые диоды размещаются на пересечении фокальной оси и оси симметрии соответствующего рефлектора. Параболический рефлектор преобразует СВЧ-излучение диода в электромагнитную волну с плоским фазовым фронтом на выходе прямоугольного раскрыва, которая в свою очередь возбуждает волну E₁ с плоским фазовым фронтом в диэлектрическом волноводе. При этом обеспечивается синфазное возбуждение элементов периодической структуры и соответственно формирование узкой диаграммы направленности всей системы. Для обеспечения максимальной отдаваемой диодами мощности СВЧ-излучения фокусное расстояние параболического цилиндра должно составлять
p/2 = (2m+1)λ/4 ,
где
m = 0, 1, 2, 3...,
а расстояние между фокусами параболических цилиндров должно выбираться из условия кратности π общего набега фазы волны (с учетом фазовой скорости волны T₁) в планарном диэлектрическом волноводе). При выполнении этого условия диоды расположены в пучности электрического поля открытого резонатора, образованного рефлекторами, планарным диэлектрическим волноводом и периодической структурой.

С целью упрощения технологии изготовления рефлекторы могут выполняться в виде сегмента кругового цилиндра, торцевые грани планарного диэлектрического волновода - в виде двумерной фазокорректирующей линзы, фокальная ось которой совмещена с осью соответствующего кругового цилиндра, а полупроводниковые диоды размещаются на пересечении оси кругового цилиндра и оси симметрии соответствующего рефлектора.

Периодическая структура может быть выполнена в виде отражательной решетки с периодом L, шириной щели d и глубиной щели h. Для обеспечения направленности максимума излучения по нормали к поверхности решетки как для прямой так и обратной волны E₁ в планарном диэлектрическом волноводе параметры решетки и волновода должны удовлетворять соотношению
cosθ_n= u+nλ/L, ,
где
λ - длина волны излучения;
n=-1, -2, -3... - номер излучающейся гармоники;
θ_n - угол излучения;
u = c/ν_ф - коэффициент замедления волны в планарном диэлектрическом волноводе;
При n = -l,θ_n= 90^° имеем
c/ν_ф= λ/L = u. .

Коэффициент замедления u в свою очередь определяется диэлектрической проницаемостью материала планарного диэлектрического волновода, его толщиной, параметрами решетки и расстоянием между диэлектрическим волноводом и решеткой [6]. Выбором закона изменения глубины щелей решетки или изменением расстояния между решеткой и волноводом можно управлять распределением поля на излучающей апертуре.

Периодическая структура может быть выполнена в виде ленточной решетки, расположенной на широкой грани планарного диэлектрического волновода, противоположная грань которого соприкасается с металлической подложкой. При этом упрощается технология изготовления самой решетки, упрощается согласование периодической структуры и планарного диэлектрического волновода с рефлекторами, повышается добротность всей открытой резонансной излучающей системы.

Периодическая структура может быть выполнена в виде двойной решетки, состоящей из ленточной решетки, расположенной на широкой грани планарного диэлектрического волновода, и отражательной дифракционной решетки, расположенной вблизи противоположной широкой грани планарного диэлектрического волновода. При этом открытая резонансная излучающая система представляет собой аналог резонаторной антенны [4], часть поверхности которой (апертура) обладает некоторой малой прозрачностью.

При выполнении ленточной решетки с прозрачностью Т, возрастающей от центра излучающей апертуры [-А,А] к ее краям по закону
T = T₀+T₁(sin(π(x-A)/(2A)))
где
T₀ и T₁ - постоянные коэффициенты, 0 < T₁ < T₀, T₀ + T₁ < 1 ;
x - текущая координата вдоль излучающей апертуры,
улучшается КНД антенны за счет более равномерного распределения поля на излучающей апертуре [7].

На фиг.1 приведена открытая излучающая система по п.1 формулы изобретения; на фиг.2 - сечение А-А фиг.1; на фиг.3 - открытая излучающая система по п.5 формулы изобретения; на фиг.4 - открытая излучающая система по п.6 формулы изобретения.

Открытая излучающая система по п.1 формулы изобретения содержит рефлектор 1, выполненный в виде сегмента цилиндрической поверхности с прямоугольным раскрывом 2, полупроводниковый диод 3, источник напряжения смещения 4, планарный диэлектрический волновод 5, периодическую структуру 6, второй рефлектор 7 и второй полупроводниковый диод 8.

Открытая излучающая система по п.2 формулы изобретения содержит рефлекторы 1, 7, выполненные в виде сегмента параболического цилиндра.

Открытая излучающая система по п.3 формулы изобретения содержит рефлекторы 1, 7, выполненные в виде сегмента кругового цилиндра, а торцевые грани планарного диэлектрического волновода 5 выполненные в виде двумерной линзы.

Открытая излучающая система по п.4 формулы изобретения содержит периодическую структуру 6, выполненную в виде отражательной дифракционной решетки.

Открытая излучающая система по п.5 формулы изобретения содержит периодическую структуру 9, выполненную в виде ленточной решетки, расположенной на поверхности планарного диэлектрического волновода 5, соприкасающегося с металлической подложкой 10.

Открытая излучающая система по п.6 формулы изобретения содержит периодическую структуру, выполненную в виде двойной решетки, состоящей из ленточной решетки 11 на поверхности планарного диэлектрического волновода 5 и отражательной дифракционной решетки 12.

Открытая излучающая система по п.7 формулы изобретения содержит ленточную решетку 11 с переменной прозрачностью вдоль излучающей апертуры [-А, А].

Предложенная открытая излучающая система (п.1 формулы изобретения) работает следующим образом.

При подаче напряжения смещения от источника 4 на полупроводниковый диод 3 (например, диод Ганна) происходит его самовозбуждение на частоте, определяемой параметрами диода и цепи подвода питания. Излученная СВЧ-энергия при помощи рефлектора 1 направляется и преобразуется в волну E₁ в планарном диэлектрическом волноводе 5. Полупроводниковый диод 8 при подаче на него напряжения смещения при помощи рефлектора 7 возбуждает в планарном диэлектрическом волноводе 5 встречную волну E₁. Таким образом генераторные полупроводниковые диоды 3, 8 оказываются включенными в общую резонансную цепь, а их собственные частоты генерации затягиваются к ближайшему высокодобротному типу колебаний открытой резонансной системы, образованной рефлекторами 1, 7, планарным диэлектрическим волноводом 5 и периодической структурой 6. В результате дифракции волны планарного диэлектрического волновода на периодической структуре 6 происходит ее преобразование в объемную волну, распространяющуюся по нормали к поверхности волновода 5.

Работа открытой излучающей системы в режиме передачи по пп.2-3 формулы изобретения происходит аналогичным образом.

При работе открытой излучающей системы в режиме приема- передачи возможен как автодинный режим работы, при котором часть СВЧ- энергии, отраженной объектом, преобразуется при нормальном падении на периодическую структуру в две противоположно направленные волны E₁ планарного диэлектрического волновода, распространяющиеся к полупроводниковым диодам, так и работа в режиме преобразования колебаний при замене одного из диодов на смесительный диод.

Работа открытой излучающей системы по пп. 4, 5 формулы изобретения происходит аналогичным образом.

При выполнении периодической структуры в виде двойной решетки (пп.6, 7 формулы изобретения) работа открытой излучающей системы происходит следующим образом. Двойная решетка с планарным диэлектрическим волноводом представляет собой аналог резонаторной антенны с частично-прозрачной стенкой (апертурой). При этом функции каждой из решеток разделяются: отражательная решетка выполняет функцию эффективного преобразования энергии волны планарного волновода в запасенную энергию резонаторной антенны, а ленточная решетка осуществляет частичное пропускание падающего поля во внешнее пространство и формирование требуемого распределения поля на излучающей апертуре. Следует отметить, что если период отражательной решетки строго определяется приведенными выше соотношениями между длиной волны излучения, замедлением в волноводе, то для ленточной решетки здесь существенна только прозрачность для падающей волны.

Таким образом, предложенная открытая излучающая система позволяет успешно решить задачу генерирования и преобразования колебаний полупроводниковыми диодами, стабилизации частоты и формирования диаграммы направленности в едином устройстве без привлечения развязывающих и согласующих СВЧ-элементов.

Использованные источники:
1. А.с. СССР N 1072243, М кл.H 03 B 7/14, 1982.

2. А.с. СССР N 1107270, М кл.H 03 D 7/14, 1982.

3. Шестопалов В. П. Физические основы мм и субмм техники. Т.1. - Киев: Наукова думка, 1985, 216с.

4. Каценеленбаум Б.З. Радиотехника и электроника, т.40, вып.2, 1995, с. 228-233.

5. Патент США N 3.562.666, М кл. H 03 B 7/14, 1971 (прототип).

6. Взятышев В.Ф. Диэлектрические волноводы.-М.: Сов.радио, 1970, 216 с.

7. Войтович М.И., Войтович Н.И., Загорская О.Ф., Каценеленбаум Б.З. Радиотехника и электроника, т.38, вып.7, 1993, с. 1247- 1255.

Изобретение относится к технике СВЧ, решает задачу генерирования и преобразования колебаний СВЧ полупроводниковыми диодами, стабилизации частоты, формирования диаграммы направленности в единой открытой резонансной излучающей системе. Открытая излучающая система состоит из двух рефлекторов, в прямоугольные раскрывы которых введен планарный диэлектрический волновод, вблизи которого размещена периодическая структура, и двух полупроводниковых диодов, размещенных со стороны выгнутой части рефлектора. Рефлекторы могут быть выполнены в виде сегмента кругового цилиндра, торцевые грани планарного диэлектрического волновода - в виде двумерной фазокорректирующей линзы, а периодическая структура - в виде отражательной дифракционной решетки, ленточной решетки на поверхности диэлектрического волновода с металлической подложкой, двойной решетки, образованной ленточной и отражательной решетками. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Открытая излучающая система, состоящая из рефлектора, выполненного в виде сегмента цилиндрической поверхности с прямоугольным раскрывом, полупроводникового диода, расположенного на оси симметрии рефлектора с его вогнутой стороны и соединенного с источником напряжения смещения, отличающаяся тем, что в раскрыв рефлектора введен планарный диэлектрический волновод, вблизи широкой грани которого размещена периодическая структура, а противоположный конец планарного диэлектрического водновода введен в прямоугольный раскрыв второго рефлектора, на оси симметрии которого с его вогнутой стороны размещен второй полупроводниковый диод. 2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что рефлекторы выполнены в виде сегмента параболического цилиндра, а полупроводниковые диоды размещены на пересечении фокальной оси параболического цилиндра и оси симметрии соответствующего рефлектора. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что рефлекторы выполнены в виде сегмента кругового цилиндра, торцевые грани планарного диэлектрического волновода выполнены в виде двумерной линзы, фокальная ось которой совмещена с осью соответствующего кругового цилиндра, а полупроводниковые диоды размещены на пересечении оси соответствующего кругового цилиндра и оси симметрии рефлектора. 4. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что периодическая структура выполнена в виде отражательной дифракционной решетки. 5. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что периодическая структура выполнена в виде ленточной решетки, расположенной на широкой грани планарного диэлектрического волновода, противоположная грань которого соприкасается с металлической подложкой. 6. Система по пп.1 - 3, отличающаяся тем, что периодическая структура выполнена в виде двойной решетки, состоящей из ленточной решетки, расположенной на широкой грани планарного диэлектрического волновода, и отражательной дифракционной решетки, расположенной вблизи второй широкой грани планарного диэлектрического волновода. 7. Система по п.6, отличающаяся тем, что ленточная решетка выполнена с прозрачностью Т, возрастающей от центра излучающей апертуры к ее краям по следующему закону:
T = T₀+T₁(sin(π(x-A)/(2A))),
где Т₀ и Т₁ - постоянные коэффициенты, О < Т₁ < Т₀, Т₀ + Т₁ < 1;
Х - текущая координата вдоль излучающей апертуры;
(-А, А) - излучающая апертура ленточной решетки.