МАЛОШУМЯЩИЙ СВЧ-ГЕНЕРАТОР Российский патент 2000 года по МПК H03B5/18 H03B7/14 H01P7/06 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к полупроводниковым СВЧ-генераторам.

Была поставлена задача разработки полупроводникового СВЧ-генератора с очень низким уровнем частотных шумов не более минус (130-150) дБ/Гц в полосе частот анализа 10-100 кГц и высокой долговременной стабильностью частоты 10^-6-10^-8 в режиме фазовой автоподстройки частоты, где в качестве эталона используется опорный кварцевый генератор.

Указанными параметрами обладает схема малошумящего СВЧ-генератора /1/, являющаяся прототипом предлагаемого изобретения.

Эта схема содержит биполярный транзистор, базовый вывод которого соединен с общей шиной, управляющий варикап и отрезки микрополосковых линий (шлейфы), расположенные на диэлектрической подложке со слоем металлизации на другой ее стороне, а также высокодобротный цилиндрический резонатор, выполненный в виде объемного или размещенного в экране цилиндрического диэлектрического резонатора, и блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), причем первый микрополосковый (МПЛ) шлейф подключен к эмиттеру транзистора, а второй МПЛ шлейф подключен к коллектору транзистора. К первому МПЛ шлейфу подключен третий МПЛ шлейф, разомкнутый на конце, 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 радиуса одного из его торцов на расстоянии, равном четверти длины волны в МПЛ от коллектора транзистора, к второму МПЛ шлейфу подключен четвертый МПЛ шлейф, разомкнутый на конце, к месту соединения первого и третьего МПЛ шлейфов подключен согласованный резистор величиной, 50 Ом, 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 узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита и расположенным на другом торце высокодобротного цилиндрического резонатора, представляющем упругую мембрану, выполненную с возможностью прогиба при помощи сердечника электромагнитного узла подстройки частоты.

Однако недостатком такой конструкции является повышенная чувствительность частотных шумов СВЧ-генератора к внешним виброакустическим воздействиям, которые всегда присутствуют при эксплуатации данного устройства. Это подтверждается приведенными на фиг. 1 зависимостями частотных шумов СВЧ-генератора от частоты отстройки от несущей при разных уровнях акустического воздействия (кривые 1, 2, 3).

На фиг. 1 по горизонтальной оси отложена частота акустического воздействия (в герцах), а по вертикальной оси отложен уровень частотного шума генератора (в децибелах) относительно уровня мощности несущей частоты, пересчитанный в полосе частот 1 Гц. Кривая 1 - фоновый уровень акустического давления, кривая 2 - акустическое давление равно 90 дБ, кривая 3 - акустическое давление равно 110 дБ. При этом основным источником повышенного частотного шума генератора являются механические колебания мембраны высокодобротного резонатора на частотах от 200 Гц до 5 кГц, которые модулируют частоту сигнала СВЧ-генератора и тем самым вызывают увеличение частотного шума в указанном диапазоне. Настоящее изобретение направлено на дальнейшее снижение частотных шумов высокостабильного малошумящего СВЧ-генератора путем подавления собственных резонансных колебаний мембраны стабилизирующего высокодобротного резонатора.

Предлагается малошумящий СВЧ-генератор, содержащий биполярный транзистор, базовый вывод которого соединен с общей шиной, вывод коллектора соединен через первый отрезок МПЛ с выходом, вывод эмиттера подсоединен к одному из концов второго отрезка МПЛ и управляющий варикап, расположенные на диэлектрической подложке со слоем металлизации, блок фазовой автоподстройки частоты, а также высокодобротный цилиндрический резонатор, выполненный в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, который электромагнитно связан с первым отрезком МПЛ через щель в слое металлизации, расположенную перпендикулярно первому отрезку МПЛ и оси высокодобротного резонатора и вдоль радиуса одного из его торцов на расстоянии λ/4 от коллектора транзистора, где λ - длина волны в МПЛ, при этом другой конец второго отрезка МПЛ соединен с первым разомкнутым МПЛ отрезком и согласованным резистором и через третий отрезок МПЛ подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй вывод которого соединен с общей шиной, а к выходному концу первого отрезка МПЛ подсоединены второй разомкнутый отрезок МПЛ и вход блока фазовой автоподстройки частоты, первый выход которого подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй выход соединен с узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита и расположенным на другом торце высокодобротного резонатора, представляющем собой упругую мембрану, выполненную с возможностью прогиба при помощи сердечника электромагнита, отличающейся тем, что мембрана выполнена двухслойной, причем один слой, ограничивающий объем высокодобротного резонатора, является металлическим, а второй слой, расположенный между металлическим слоем и корпусом электромагнита, представляет собой консистентную смазку.

Выполнение мембраны высокодобротного резонатора двухслойной из слоя тонкого металла и слоя смазки дает возможность устранить противоречение, всегда возникающее при создании изделий такого типа и такого применения. Для того чтобы подстраивать частоту, надо, чтобы хотя бы одна стенка резонатора имела возможность многократно изгибаться под действием приложенного к ней небольшого усилия, а следовательно, должна быть по возможности более тонкой.

В то же время при различных внешних виброакустических воздействиях, неизбежно возникающих в условиях эксплуатации в различной, например, в бортовой аппаратуре, тонкие стенки мгновенно реагируют на эти воздействия, изменяя свое положение, резонируя на различных частотах, вследствие чего изменяется частота высокодобротного резонатора и происходит частотная модуляция сигнала СВЧ-генератора, что резко увеличивает уровень частотных шумов генератора вблизи несущей. Поэтому в реальных конструкциях приходилось идти на компромисс при выборе толщины мембраны и обеспечении необходимого диапазона перестройки частоты. То есть для получения приемлемой характеристики по виброакустоустойчивости приходилось делать более толстую мембрану резонатора, а при заданной мощности цепи управления перемещением мембраны это приводило к значительному уменьшению диапазона перестройки частоты резонатора.

Предлагаемая схема СВЧ-генератора свободна от этого недостатка, так как в двухслойной мембране металлический слой мембраны можно делать более тонким, увеличивая при этом диапазон перестройки частоты резонатора, одновременно устраняя механические резонансы в мембране и их влияние на частоту СВЧ-генератора.

Двухслойная мембрана, имея тонкий металлический слой, сохраняет возможность прогиба на заданную величину при помощи электромагнитного узла подстройки частоты, но любые возникающие в результате внешних воздействий паразитные собственные колебания мембраны демпфируются в ней благодаря наличию сил внутреннего трения в слое вязкой смазки.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 показаны зависимости частотных шумов известного СВЧ-генератора (прототипа) от частоты отстройки от несущей при различных условиях акустического воздействия. На фиг. 2 показана принципиальная схема СВЧ-генератора. На фиг. 3 приведена топология цепей предлагаемого СВЧ-генератора. На фиг. 4 - конструкции возможных вариантов выполнения высокодобротного резонатора с узлом подстройки частоты (фиг. 4a - объемный резонатор; фиг. 4b - диэлектрический резонатор в экране). На фиг. 5 приведены зависимости частотных шумов СВЧ-генераторов от частоты отстройки от несущей (кривая 1 - для прототипа, кривая 2 - для предложенного генератора).

В малошумящем СВЧ-генераторе (фиг. 2, 3) эмиттер транзистора 1 подключен к первому МПЛ шлейфу 2, 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 в слое на подложке 8, расположенной на торцевой поверхности резонатора 6, 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 узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита 13.

В генераторе реализован метод комбинированной параметрической и электрической стабилизации. Параметрическая стабилизация обеспечивается высокодобротным резонатором (например, объемным на типе волны H₀₁₂, собственная добротность Q₀ = 20000) в режиме затягивания частоты генератора под частоту резонатора. Электрическая стабилизация осуществляется подстройкой частоты генератора системой ФАПЧ с высокостабильным опорным генератором (например, кварцевым).

В генераторе использованы два элемента электрической подстройки частоты: электромагнитного типа и варикап. Электромагнитное устройство расположено на торцевой поверхности высокодобротного резонатора, выполненной в виде упругой мембраны, и обеспечивает грубую подстройку его частоты в полосе до 10 МГц с помощью прогиба упругой мембраны при подаче тока управления в обмотку электромагнита. Точность установки частоты при этом составляет приблизительно десятки килогерц. Включение в схему генератора варикапа обеспечивает точную быструю перестройку частоты, что позволяет получить стабильность частоты выше 10^-6.

Включение высокодобротного резонатора в коллекторную цепь транзистора по схеме двухполюсника обеспечивает глубокую параметрическую стабилизацию, а включение варикапа в эмиттерную цепь транзистора обеспечивает уменьшение рассеиваемой на нем СВЧ мощности.

Такое построение схемы СВЧ-генератора позволяет получить высокую долговременную стабильность частоты не хуже 10^-6 и уровень частотных шумов не более (-130 дБ/Гц) на частоте анализа 10 кГц.

Проблема повышенной чувствительности частотных шумов СВЧ-генератора к внешним виброакустическим воздействиям решена путем выполнения мембраны высокодобротного резонатора двухслойной, один из слоев при этом представляет собой вязкую консистентную смазку. Конструкции возможных вариантов выполнения высокодобротного резонатора с узлом подстройки частоты показаны на фиг. 4a и 4b. (Фиг. 4a - высокодобротный резонатор выполнен в виде объемного цилиндрического резонатора на типе волны H₀₁₂;
Фиг. 4b - высокодобротный резонатор выполнен в виде диэлектрического резонатора, размещенного в цилиндрическом экране).

В конструкции фиг. 4a вторая торцевая поверхность высокодобротного резонатора 6 выполнена в виде упругой мембраны 14, состоящей из металлического слоя 15, например, из сплава 32НКД (суперинвар), и слоя 16 вязкой консистентной смазки, например, марки "Циатим-221". На металлическом слое 15 в центральной части мембраны 14 укреплен ферромагнитный цилиндр 17 (Якорь), размещенный напротив неподвижного сердечника 18, совмещенного с корпусом 19 электромагнита 13, имеющего обмотку 20.

В конструкции фиг. 4b высокодобротный резонатор выполнен в виде диэлектрического резонатора 6, размещенного на торцевой поверхности цилиндрического экрана 21, имеющего щель электромагнитной связи 7. Вторая торцевая поверхность цилиндрического экрана 21 выполнена в виде упругой мембраны 14, состоящей из металлического слоя 15, например, из сплава 32НКД (суперинвар), и слоя 16 вязкой консистентной смазки "Циатим-221". На металлическом слое 15 в центральной части мембраны 14 укреплен ферромагнитный цилиндр 17 (Якорь), размещенный напротив неподвижного сердечника 18, совмещенного с корпусом 19 электромагнита 13, имеющего обмотку 20. Между металлическим слоем 15 мембраны 14 и диэлектрическим резонатором 6 имеется зазор 22.

При подаче в обмотку 20 электромагнита 13 электрического тока в неподвижно закрепленном сердечнике 18 создается магнитное поле, под действием которого к сердечнику 18 притягивается ферромагнитный цилиндр (Якорь), а вместе с ним притягивается к сердечнику 18 и скрепленный с цилиндром 17 металлический слой 15 двухслойной мембраны 14.

Металлический слой 15 изгибается, из-за чего изменяется частота высокодобротного резонатора, т.к. в конструкции 4a при изгибе металлического слоя 15 изменяется объем высокодобротного резонатора 6, одной из стенок которого является металлический слой 15, а в конструкции 4b при изгибе металлического слоя 15 изменяется зазор 22, влияющий на поля рассеяния диэлектрического резонатора, которые в свою очередь влияют на резонансную частоту.

Изменяя величину электрического тока в обмотке 20, с высокой точностью подстраивают частоту высокодобротного резонатора 6 на заданное значение и таким образом компенсируют уходы частоты высокодобротного резонатора 6.

При изменении положения (прогиба) металлического слоя 15 двухслойной мембраны 14 в слое 16 вязкой смазки, который сжимается между металлическим слоем 15 и неподвижным сердечником 18 электромагнита 13, возникают силы внутреннего вязкого трения, которые демпфируют собственные резонансные механические колебания металлического слоя 15 мембраны 14, возникающие из-за внешних виброакустических воздействий. Это делает генератор в целом устойчивым к внешним механическим воздействиям.

Таким образом, выполнение мембраны 14 двухслойной из тонкого металлического слоя 15 и слоя 16 вязкой смазки дает возможность легко избавиться от паразитных изменений частоты резонатора, возникающих из-за внешних виброакустических воздействий, т. к. все возникающие паразитные колебания металлического слоя поглощаются в слое вязкой смазки.

Полученный результат подтверждается показанными на фиг. 5 характеристиками частотных шумов СВЧ-генератора при отстройке от несущей на 1-10 кГц.

Из фиг. 5 видно, что предложенная конструкция СВЧ-генератора позволяет снизить уровень частотных шумов на 10-20 дБ в диапазоне отстроек от несущей (200 Гц-4 кГц) по сравнению с прототипом (в условиях внешних виброакустических воздействий).

Данная конструкция СВЧ-генераторов позволяет расширить область их применения, а именно позволяет использовать такие генераторы в различной аппаратуре, когда требования по уровню виброакустических внешних воздействий отличаются значительно - от менее жестких требований к аппаратуре, работающей в лабораторных условиях, до более жестких требований к аппаратуре бортового назначения, что весьма выгодно экономически. Примененный технический прием - создание двухслойной мембраны - прост и дешев, не требует затратных высоких технологий. Предложенная конструкция обеспечивает уменьшение частотных шумов сигнала СВЧ-генератора. Это позволяет создать СВЧ-генераторы, устойчивые к внешним механическим воздействиям.

Источник информации
1. Патент РФ N 2068616, МКИ⁶ H 03 B 5/12, опубл. 27.10.96, бюл. N 30.

Малошумящий СВЧ-генератор содержит биполярный транзистор, первый, второй и третий отрезки микрополосковой линии (МПЛ), управляющий варикап, расположенные на диэлектрической подложке со слоем металлизации, блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), высокодобротный цилиндрический резонатор в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, электромагнитно связанного с первым отрезком МПЛ через щель, первый выход блока ФАПЧ подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй выход соединен с узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита и расположенным на другой торцевой поверхности резонатора, представляющей собой упругую мембрану, выполненную с возможностью прогиба при помощи сердечника электромагнита. Мембрана выполнена двухслойной, причем один слой, ограничивающий объем резонатора, является металлическим, а второй слой, расположенный между металлическим слоем и корпусом электромагнита, представляет собой консистентную смазку, в качестве которой может быть использован "Циатим-221". Технический результат заключается в снижении частотных шумов, основным источником которого являются механические колебания мембран. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. 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, блок фазовой автоподстройки частоты, а также высокодобротный цилиндрический резонатор, выполненный в виде объемного или размещенного в экране диэлектрического резонатора, который электромагнитно связан с первым отрезком микрополосковой линии через щель в слое металлизации, расположенную перпендикулярно первому отрезку микрополосковой линии и оси высокодобротного резонатора и вдоль радиуса одной из его торцевых поверхностей на расстоянии λ/4 от коллектора транзистора, где λ - длина волны в микрополосковой линии, при этом другой конец второго отрезка микрополосковой линии соединен с первым разомкнутым отрезком 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 отрезок микрополосковой линии и вход блока фазовой автоподстройки частоты, первый выход которого подключен к первому выводу управляющего варикапа, второй выход соединен с узлом подстройки частоты, выполненным в виде электромагнита и расположенным на другой торцевой поверхности высокодобротного резонатора, представляющей собой упругую мембрану, выполненную с возможностью прогиба при помощи сердечника электромагнита, отличающийся тем, что мембрана выполнена двухслойной, причем один слой, ограничивающий объем высокодобротного резонатора, является металлическим, а второй слой, расположенный между металлическим слоем и корпусом электромагнита, представляет собой консистентную смазку. 2. Малошумящий СВЧ-генератор по п.1, отличающийся тем, что второй слой упругой мембраны выполнен из консистентной смазки марки "Циатим-221".