ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2003 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к электронным приборам и может использоваться в различных отраслях промышленности, преимущественно в полупроводниковой электронике, для генерации электромагнитных колебаний в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне длин волн.

Известен генератор электромагнитных колебаний [Андрушко Л.М., Бурмистенко В. М. Электронные и квантовые приборы СВЧ. - М.: Связь, 1974, с.192], который содержит колебательную систему, состоящую из отрезка прямоугольного волновода, между широкими стенками которого помещен активный элемент, например диод Ганна. Для настройки на требуемую частоту волновод снабжен короткозамыкателем, который установлен на одном его конце с возможностью плавного перемещения для перестройки частоты генерации. С другого конца волновод снабжен фланцем. При пропускании тока через диод Ганна возникает генерация в области частот, на которую рассчитан этот диод. Основными недостатками этого генератора являются малые размеры волновода, ограничивающие возможности применения генератора и затрудняющие обеспечение теплоотвода.

Известен также генератор, в котором в качестве колебательной системы используется открытый резонатор, состоящий из двух зеркал - сферического и плоского [Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Маров В.В., Мачильченко Н.А. Твердотельные устройства СВЧ в технике и связи. - М.: Радио и связь, 1988]. Для достижения генерации плоское зеркало выполнено в форме дифракционной решетки, над которой помещен жестко сфокусированный электронный пучок. Взаимодействие пучка с упомянутой дифракционной решеткой, как замедляющей структурой, приводит к возбуждению электромагнитных колебаний в открытом резонаторе. Такой генератор, названный оротроном, используется в спектроскопии. К его недостаткам относится высокая стоимость, обусловленная наличием высоковакуумных элементов, а также трудности в обеспечении теплоотвода с увеличением мощности генератора.

Известен другой генератор, который также имеет колебательную систему в виде открытого резонатора [Бородин А.И., Булгаков Б.М. и др. Полупроводниковый генератор миллиметрового диапазона с квазиоптической резонаторной системой. - Письма ЖТФ, т.5, вып.5, с.285], образованный плоским и сферическим зеркалами, между которыми помещена дифракционная решетка из прямоугольных металлических брусьев, служащих токовводами, между которыми помещен полупроводниковый излучающий диод, а вывод СВЧ энергии из резонатора в выходной волновод осуществляется через тонкую диафрагму с отверстием связи в одном из зеркал. Этот генератор работает следующим образом. Пропускание тока через излучающий диод, помещенный между двумя элементами решетки (брусьями) вблизи оси резонатора, возбуждает открытый резонатор посредством дифракционной решетки, прозрачной для Н-поляризованной волны. Дифракционная решетка формирует максимум, перпендикулярный зеркалам. В резонаторе, таким образом, формируется продольная мода, взаимодействующая с диодом. Описанный генератор по наибольшему количеству сходных с предлагаемым генератором признаков является его ближайшим аналогом и принят за прототип изобретения. Недостатками прототипа являются: сравнительно широкая ширина линии генерации, неэффективный теплоотвод, низкая направленность излучения электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Изобретение решает задачу сужения ширины линии генерации, обеспечения эффективного теплоотвода, формирования высоконаправленного излучения электромагнитных волн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов.

Поставленная задача решается тем, что предлагается генератор электромагнитных колебаний, включающий резонатор, состоящий из первого и второго зеркал, установленных напротив друг друга с зазором, и излучающий диод, причем первое зеркало резонатора выполнено из двух частей, каждая из которых является отдельным электродом, излучающий диод соединен с каждым из частей первого зеркала парой электродов, а второе зеркало выполнено частично пропускающим излучение резонатора. Узкая направленность пучка электромагнитного излучения может формироваться известными способами, например модой резонатора, или выполнением второго зеркала частично пропускающим электромагнитное излучение путем нанесения частично пропускающего слоя на внутреннюю поверхность зеркала, или выполнением волновода во втором зеркале с диафрагмой на входе, который располагается напротив излучающего диода.

Излучающий диод может быть установлен либо на поверхности первого зеркала, либо перед нею, между зеркалами резонатора, либо позади нее, в специально выполненном волноводе. При этом излучающий диод соединяется с частями первого зеркала каждая из которых является самостоятельным электродом посредством пары дополнительных электродов таким образом, что образуется петля связи с резонатором.

Величина зазора между первым и вторым зеркалами резонатора преимущественно равна N•L/2, где N - целое число, L - длина волны.

Второе зеркало может иметь как плоскую, так и сферическую форму.

В качестве излучающего диода может использоваться диод Ганна, лавинно-пролетный, или иной полупроводниковый диод.

Функциональные схемы генератора с расположением излучающего диода за поверхностью первого зеркала представлена на фиг.1 и фиг.2, причем эти схемы практически идентичны, с тем отличием, что на фиг.1 второе зеркало имеет внутреннее покрытие и выполнено из прозрачного материала, а на фиг.2 второе зеркало выполнено металлическим и снабжено волноводом с диафрагмой.

На фиг. 1 первое зеркало - плоское (1), и второе зеркало - сферическое (2) с радиусом кривизны R1, установлены с зазором друг напротив друга и образуют полуконфокальный (полусимметричный) резонатор. Второе зеркало (2) с внутренней стороны имеет металлическое напыление (4), которое частично пропускает излучение, поэтому энергия излучения выводится через него непосредственно в окружающее пространство. Первое зеркало (1) состоит из двух частей, разделенных между собой диэлектрическим изолятором, например тефлоновой пленкой (6), причем каждая названная часть является самостоятельным электродом.

В центральной части первого зеркала выполнен волновод (8), в котором установлен излучающий диод (3) и дополнительные электроды (5), которые совместно с излучающим диодом (3) образуют петлю связи с резонатором. Упомянутые части первого зеркала (1) служат одновременно для подвода питания и для эффективного теплоотвода. Для увеличения теплоотвода изнаночная сторона этого зеркала может быть выполнена в форме радиатора - ребристой. Зеркала, например, могут иметь следующие размеры: диаметр - 70 мм, толщина - 10 мм. Для настройки резонатора его снабжают регулировочными головками (не показаны), которые в свою очередь могут быть установлены в каретке, связанной с зеркалами, которая позволяет плавно, посредством винтовой передачи, изменять расстояние между зеркалами.

Почти полуконфокальная конфигурация резонатора позволяет получить эффективное взаимодействие излучающего диода с полем резонатора, поскольку он находится в перетяжке поля, где интенсивность его максимальна.

Особо следует отметить роль положения излучающего диода относительно поверхности зеркал и зависимость режимов работы генератора от этого фактора. Излучающий диод помещается в специальные гнезда между двумя дополнительными электродами (5), представляющими собой прямоугольные металлические (медные или латунные) пластины, например, размером 1•2 мм. Каждая пластина плотно укрепляется на поверхности частей первого зеркала (1), и благодаря этому имеет надежный тепловой контакт с названным зеркалом. Положение дополнительных электродов (5) и вместе с ним излучающего диода (3) может изменяться относительно поверхности зеркал, так как они являются съемными.

На фиг.2 изображен этот же генератор, у которого второе зеркало (2) выполнено металлическим. В центре зеркала напротив волновода первого зеркала (1) выполнен волновод (7), пропускающий электромагнитные колебания, снабженный диафрагмой (4).

Генератор работает следующим образом.

При прикладывании напряжения к половинам первого зеркала (1), через излучающий диод (3) протекает ток. При этом в петле связи, образованной дополнительными электродами (5) и диодом (3), возникают колебания, которые возбуждают резонатор, образованный зеркалами (1) и (2), на собственных модах резонатора. Длина волны электромагнитных колебаний λ определяется уравнением λ= 2•L_рез/N, где L_рез - длина резонатора, N - целое число. При изменении длины L_рез резонатора меняется его рабочая частота и частота электромагнитного поля. Таким образом, генератор перестраивается по частоте. Также возможна перестройка генератора по частоте в небольшом диапазоне, путем изменения рабочего тока излучающего диода (3).

Часть энергии колебаний электромагнитного поля в резонаторе выводится через частично пропускающее зеркало (2) - фиг.1 или волновод (7) - фиг.2, что позволяет получать узконаправленное излучение, формируемое, например, за счет конфигурации основной моды резонатора, или путем нанесения на внутреннюю поверхность зеркала (2) структуры частично отражающего слоя, обеспечивающего за счет явления интерференции узкую направленность выходного излучения. Для вывода энергии из резонатора вместо частично пропускающего зеркала (2) возможно использование глухого зеркала, как изображено на фиг.2, в котором имеется волновод (7) с диафрагмой (4). В этом случае часть энергии резонатора выводится через диафрагму (4) в волноводную линию (7).

Кроме функции подвода напряжения питания к излучающему диоду (3), дополнительные электроды (5), позволяют перемещать названный диод внутри волновода, подстраивая генератор на максимум выходной мощности. Кроме того, дополнительные электроды обеспечивают взаимодействие электромагнитного поля резонатора и излучающего диода. Также благодаря надежному тепловому контакту между излучающим диодом (3), дополнительными электродами (5) и между дополнительными электродами (5) и металлическими частями первого зеркала (1) обеспечивается эффективный отвод тепла от диода (3) в окружающее пространство. Как уже упоминалось, при необходимости, задняя поверхность зеркала (1) может быть выполнена ребристой, что увеличит эффективную площадь теплоотдачи. Таким образом, решается проблема отвода тепла от диода (3).

Образованный зеркалами (1) и (2) открытый квазиоптический резонатор предлагаемого генератора отличается от прототипа тем, что внутри резонатора отсутствуют какие либо дополнительные элементы, например рассеивающая дифракционная решетка и встроенный в нее диод. Вследствие этого потери в резонаторе предлагаемого генератора меньше и ширина линии генерации, определяемая уравнением

где с - скорость света; α - потери в резонаторе; L_рез - длина резонатора, уже.

Изобретение относится к области электронных приборов и может использоваться в полупроводниковой электронике. Достигаемый технический результат - сужение ширины линии генерации, формирование высоконаправленного излучения. Генератор электромагнитных колебаний содержит резонатор, состоящий из первого и второго зеркал, излучающий диод, первое зеркало выполнено из двух частей, каждая из которых является отдельным электродом и одновременно отводит тепло от излучающего диода, который соединен с каждой частью первого зеркала посредством пары дополнительных электродов таким образом, что они образуют петлю связи с резонатором, причем второе зеркало резонатора выполнено частично проницаемым для электромагнитного излучения резонатора. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор электромагнитных колебаний, включающий резонатор, состоящий из первого и второго зеркал, установленных напротив друг друга с зазором, и излучающий диод, отличающийся тем, что первое зеркало резонатора выполнено из двух частей, каждая из которых является отдельным электродом и одновременно отводит тепло от излучающего диода, который соединен с каждой частью первого зеркала посредством пары дополнительных электродов таким образом, что они образуют петлю связи с резонатором, причем второе зеркало резонатора выполнено частично проницаемым для электромагнитного излучения резонатора.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что второе зеркало резонатора выполнено прозрачным с нанесенным на его внутреннюю часть слоем частично пропускающего вещества.3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что второе зеркало резонатора выполнено непрозрачным и снабжено волноводом, выполненным напротив волновода первого зеркала.4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что излучающий диод расположен на поверхности первого зеркала.5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что излучающий диод расположен в зазоре между первым и вторым зеркалами резонатора перед поверхностью первого зеркала.6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что излучающий диод расположен в канале, выполненном в первом зеркале, за поверхностью первого зеркала.7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что величина зазора между зеркалами резонатора равна N L/2, где N - целое число, L - длина волны.8. Генератор по п.1, отличающийся тем, что второе зеркало резонатора выполнено плоским.9. Генератор по п.1, отличающийся тем, что второе зеркало резонатора выполнено сферическим.10. Генератор по п.1, отличающийся тем, что излучающим диодом является диод Ганна.11. Генератор по п.1, отличающийся тем, что излучающим диодом является полупроводниковый лавинно-пролетный диод.