СВЧ-АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК H03B5/18 

Устройство относится к области радиоэлектроники и представляет собой СВЧ-автогенератор, который может использоваться в качестве перестраиваемого генератора в СВЧ-синтезаторах частоты, как самостоятельный радиопередатчик в системах локации и передачи информации, а также в системах предупреждения столкновений автомобилей, активных фазированных антенных решетках, когда активные модули решетки выполняют одновременно функции генерирования и модуляции СВЧ-колебаний; а также во многих других случаях, когда необходима генерация СВЧ-сигналов с угловой модуляцией с быстрым изменением частоты сигнала.

Известны автогенераторы СВЧ-сигнала с электронной перестройкой частоты, в которых для стабилизации частоты автогенератора используются планарные диэлектрические резонаторы, позволяющие сравнительно просто реализовать систему электронной перестройки частоты диэлектрического резонатора. Планарные диэлектрические резонаторы могут изготавливаться методами печатной технологии в едином технологическом цикле с остальными элементами топологии автогенератора, что существенно упрощает их реализацию. Такие устройства описаны, например, в европейском патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. Н01Р 1/20), опубликованном 14.06.2006 (Bulletin 2006/24), в японском патенте JP 2006050334 (Кл. Н01Р 7/10), опубликованном 16.02.2006, в патенте США US 20040021531 A1, опубликованном 5.02.2004, а также в статье K.Sakamoto, Т.Kato, S.Yamashita, Y.Isikawa "A Millimeter Wave DR-VCO on Planar Type Dielectric Resonator with Small Size and Low Phase Noise" - IEICE TRAN. ELECTRON., VOL.E82-C, NO1, 1999, p.119. Однако эти автогенераторы содержат в своем составе две диэлектрические подложки, одна из которых служит для реализации топологии автогенератора, а другая для изготовления планарного диэлектрического резонатора, что приводит к усложнению и увеличению числа технологических циклов.

Известны также фильтры СВЧ на основе планарных диэлектрических резонаторов, представляющих собой диэлектрическую подложку с одно- или двухсторонней металлизацией, в которой имеется круглое или квадратное отверстие. Планарные диэлектрические резонаторы имеют высокую добротность, при этом сравнительно просто выполняются с помощью печатных технологий. Собственная добротность таких резонаторов достигает несколько тысяч. Фильтры с такими резонаторами описаны, например, в работах T.Hiratsuka and etc. "K-band Planar Type Dielectric Resonator Filter with High-ε Ceramic Substrate"; H.Blondeaux and etc. "Radiant Microwave Filter for Telecommunications Using High Qu Dielectric Resonator" - Proceedings of 30^th European Microwave Conference - Paris 2000; H.Blondeaux and etc. "Microwave Device Combining Filtering and Radiating Functions for Telecommunication Sattellites".

Конструкция автогенератора, описанная в патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. Н01P 1/20), является наиболее близкой по совокупности существенных признаков.

Известное устройство содержит две диэлектрических подложки, расположенных друг под другом. На верхней поверхности первой из подложек изготовлена топология автогенератора, содержащая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, подключенные к полупроводниковому генерирующему элементу отрезки микрополосковых линий для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором и вывода СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, а также систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора в виде отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения, нагруженной на одном конце на подключенный к заземленной металлизации варикап. Для предотвращения возникновения паразитных колебаний при использовании в качестве полупроводникового генерирующего элемента транзистора ко второму концу отрезка микрополосковой линии связи с планарным диэлектрическим резонатором подключен балластный резистор.

Нижняя поверхность первой подложки металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, через которое осуществляется связь упомянутых отрезков микрополосковых линий с планарным диэлектрическим резонатором, выполненным на второй подложке.

Вторая диэлектрическая подложка также выполнена с двусторонней металлизацией, соединенной с землей. В центре второй подложки в обоих слоях металлизации выполнены круглые одинаковые соосные отверстия, образующие планарный диэлектрический резонатор. Оба проводника микрополосковых линий, выполненных на первой подложке, расположены параллельно по хордам отверстий в металлизациях второй подложки, образующих планарный диэлектрический резонатор. Микрополосковые линии связаны с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля. Поскольку микрополосковая линия связи проходит по хорде отверстий в металлизации на поверхностях второй диэлектрической подложки, то она возбуждает в планарном диэлектрическом резонаторе резонансные колебания волн типа ТЕ₀₁₀.

Обе подложки заключены в металлизированные экраны, соединенные с металлизацией на нижней поверхности первой подложки.

Однако это устройство имеет тот недостаток, что в нем используются отдельные диэлектрические подложки для реализации схемы автогенератора с электронной перестройкой и планарного диэлектрического резонатора, что усложняет конструкцию, увеличивает стоимость и затрудняет настройку автогенератора, поскольку подложки необходимо совмещать с высокой точностью.

Таким образом, решаемой задачей является создание устройства при изготовлении которого используется упрощенная технология изготовления и настройка автогенератора.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит диэлектрическую подложку, одна из поверхностей которой металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, а на второй поверхности выполнена топология СВЧ-автогенератора, включающая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, к которому подключены отрезок микрополосковой линии для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля и отрезок микрополосковой линии для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, включающую отрезок микрополосковой линии передачи с цепью смещения и варикапом, а также верхний и нижний металлические экраны. Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом СВЧ-автогенераторе диаметр отверстия в металлизации выбран из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора, в систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора введен второй отрезок микрополосковой линии, короткозамкнутый на одном из концов, а варикап подключен в зазоре между первым и вторым отрезками микрополосковых линий, причем оба отрезка микрополосковых линий системы управления частотой расположены по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, микрополосковая линия связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположена на неметаллизированной поверхности подложки и касается окружности проекции отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в упрощении реализации СВЧ-автогенератора, так как в нем планарный диэлектрический резонатор и топология автогенератора изготовлены на одной диэлектрической подложке и соответственно не возникает проблем с точной юстировкой положения резонатора относительно микрополосковой линии связи резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом и с отрезком микрополосковой линии системы управления частотой автогенератора. Частота генерируемого СВЧ-сигнала может изменяться электронным способом за счет изменения напряжения на варикапе, что позволяет выполнять угловую модуляцию генерируемого СВЧ-сигнала. Микрополосковая линия связи планарного диэлектрического резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом, расположенная по касательной к проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, позволяет возбудить в планарном диэлектрическом резонаторе основной тип колебания волн типа НЕМ₁₁, Такое расположение микрополосковой линии связи с резонатором, вне полости резонатора, позволяет уменьшить воздействие линии на структуру поля в резонаторе, тем самым сохраняя его собственную добротность и обеспечивая лучшую стабильность частоты генератора.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует СВЧ-автогенератор, в котором в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе используется диод Ганна, а микрополосковая линия связи планарного резонатора с диодом Ганна выполнена U-образной и разомкнута на свободном конце.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что U-образный изгиб линии связи позволяет максимально удалить разомкнутый конец линии, на котором будет возникать пучность напряжения, от планарного диэлектрического резонатора и тем самым уменьшить влияние полупроводникового генерирующего элемента и линии связи на распределение поля в резонаторе, что препятствует возникновению вырожденного ортогонального колебания в нем и позволяет сохранить его добротность, а значит и стабильность частоты сигнала, генерируемого СВЧ-автогенератором.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует СВЧ-автогенератор, в котором в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе использован транзистор, а к U-образной микрополосковой линии связи планарного резонатора с транзистором дополнительно подключен балластный резистор.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что подключение балластного резистора позволяет сорвать в транзисторном генераторе паразитные колебания на частотах не равных резонансной частоте планарного диэлектрического резонатора, тем самым уменьшить фазовые шумы автогенератора.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана одна из возможных конструкций заявляемого СВЧ-автогенератора. На фиг.2 показано распределение электрического и магнитного поля в планарном диэлектрическом резонаторе на гибридном типе колебаний НЕМ₁₁. На фиг.3 схематически показана конструкция СВЧ-автогенератора при использовании в качестве полупроводникового генерирующего элемента транзистора, нагруженного на балластный резистор.

Заявляемое устройство содержит диэлектрическую подложку 1, нижняя поверхность 2 которой металлизирована, а в металлизации выполнено круглое отверстие 3, микрополосковую линию связи 4 с планарным диэлектрическим резонатором, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5, расположенную на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации 3, так что она касается U-коленом проекции отверстия в металлизации на вторую сторону подложки, микрополосковую линию связи 6 для вывода энергии СВЧ-сигнала, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5 с цепью подачи питания и расположенную на неметаллизированной поверхности подложки 1, отрезок короткозамкнутой линии 7 и отрезок микрополосковой линии передачи 8 с цепью подачи смещения на варикап 9, также расположенные на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 перпендикулярно U-образной микрополосковой линии связи 4, варикап 9, подключенный в зазор между проводниками короткозамкнутой линии 7 и отрезком микрополосковой линии 8 с цепью смещения, металлизированное отверстие 10, проходящее через подложку 1 от короткозамкнутого конца проводника линии 7 до металлизации 2, расположенный снизу первый металлический экран 11, электрически соединенный с металлизацией на нижней поверхности диэлектрической подложки 1, второй металлический экран 12, расположенный сверху подложки и электрически соединеный с металлизацией подложки.

Диэлектрическая подложка 1 со слоем металлизации нижней поверхности 2 и круглым отверстием в нем 3 образуют планарный диэлектрический резонатор, резонансная частота которого на гибридной моде, например НЕМ₁₁, равна частоте генерируемых колебаний. Генерируемая частота определяется диаметр отверстия в металлизации подложки.

Генерирующий полупроводниковый элемент автогенератора 5, в качестве которого может быть использован биполярный или полевой транзистор, диод Ганна, лавинно-пролетный диод или любой другой двухполюсник с отрицательным сопротивлением, связан с планарным диэлектрическим резонатором с помощью U-образного микрополоскового отрезка линии связи 4. Этот отрезок линии расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 планарното диэлектрического резонатора на верхнюю сторону подложки, так что проводник линии связи 4 расположен полностью над металлизацией нижнего слоя 2 и не выступает в полость резонатора. Если в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется диод Ганна или лавинно-пролетный диод, то отрезок линии связи 4 будет разомкнут на свободном конце, если же в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется транзистор, то линия связи 4 подключается к входному электроду транзистора, а на ее втором свободном конце обычно подключают резистор 13, как показано на фиг.3, препятствующий возникновению паразитных колебаний.

На фиг.1 приведена самая сложная и перспективная U-образная конфигурация микрополосковой линии связи 4 генерирующего полупроводникового элемента 5 и планарного диэлектрического резонатора 3, при которой разомкнутый конец линии связи 4, на котором будет возникать пучность напряжения, максимально удален от планарного диэлектрического резонатора 3, что позволяет уменьшить влияние полупроводникового генерирующего элемента 5 и линии связи 4 на распределение поля в резонаторе 3. Для упрощения реализации может использоваться микрополосковая линия связи 4 с прямым проводником, расположенным по касательной к окружности проекции отверстия в металлизации 3 на вторую поверхность первой подложки 1 параллельно отрезкам микрополосковых линий системы управления частотой планарного диэлектрического резонатора.

Система управления частотой планарного диэлектрического резонатора представляет собой соединение расположенных на неметаллизированной поверхности диэлектрической подложки 1 отрезка короткозамкнутой через металлизированное отверстие 10 микрополосковой линии 7 и отрезка микрополосковой линии с цепью смещения 8, подключенной к источнику смещения варикапа. В зазоре между проводниками микрополосковых линий 7 и 8 подключен варикап 9. Проводники линий 7 и 8 расположены по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 на верхнюю поверхность подложки 1. При этом проводник короткозамкнутой микрополосковой линии 7 расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1, а свободный конец проводника отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения 8, выступает в проекцию отверстия 3 на верхнюю поверхность подложки 1.

Металлизированное отверстие 10 служит для короткого замыкания по высокой частоте и по постоянному току одного из концов проводника линии передачи 7. Возможны и иные конструктивные варианты выполнения короткого замыкания на одном из концов отрезка линии 7 системы управления частотой планарного диэлектрического резонатора, а не только с помощью металлизированного отверстия 10. Возможны и другие различные конфигурации микрополосковой линии и цепи подачи смещения на варикап 9. В качестве варикапов 9 могут использоваться полупроводниковые или пленочные сегнетоэлектрические конденсаторы.

Микрополосковая линия 6, подключенная одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5 с цепью подачи питания, расположенная на неметаллизированной поверхности подложки 1, служит для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку.

Назначение и конструктивное исполнение остальных элементов СВЧ-автогенератора понятно из фиг.1 и фиг.3.

Заявляемый СВЧ-автогенератор работает следующим образом.

СВЧ-сигнал от полупроводникового генерирующего элемента 5 распространяется по микрополосковой линии связи 4. Так как проводник U-образной линии связи 4 разомкнут на втором конце, то в линии возникает стоячая волна напряжения, причем на расстоянии λ/4 от разомкнутого конца будет находиться пучность тока, а значит, и магнитного поля. Длина U-образного колена линии связи 4 подбирается таким образом, чтобы пучность магнитного поля была расположена на изгибе проводника линии 4, а сам проводник в месте изгиба был расположен близко к краю и касался отверстия 3 в металлизации 2, образующего планарный диэлектрический резонатор. Таким образом, отрезок линии связи 4 и планарный диэлектрический резонатор 3 будут связаны за счет магнитного поля, а у края резонатора 3 в месте наиболее близкого расположения проводника линии связи 4 будет расположена пучность магнитного поля. В результате в планарном резонаторе возбуждаются СВЧ-колебания гибридной моды НЕМ₁₁. Распределение электрического и магнитного полей для такого типа колебаний показано на фиг.2 (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). Планарный диэлектрический резонатор 3 вместе с отрезком разомкнутой линией связи 4 образуют резонансную нагрузку для полупроводникового генерирующего элемента 5. При выполнении условий баланса фаз и амплитуд в автогенераторе, включающем полупроводниковый генерирующий элемент 5 с цепью подачи питания и отрезок микрополосковой линии связи 4, возникнут и будут поддерживаться незатухающие колебания с частотой СВЧ-сигнала, равной резонансной частоте планарного диэлектрического резонатора. Резонатор 3 будет определять не только частоту генерируемых автогенератором колебаний, но и ее стабильность. Через подключенный к полупроводниковому генерирующему элементу отрезок микрополосковой линии 6 энергия СВЧ-сигнала выводится в согласованную нагрузку.

Проводник отрезка микрополосковой линии 8 системы управления частотой резонатора, выступающий в проекцию отверстия в металлизации, образующего планарный диэлектрический резонатор 3, расположен по направлению силовых линий электрического поля на данном типе колебаний резонатора (см. фиг.2). В результате линия 8, а значит, варикап 9 и короткозамкнутая микрополосковая линия 7 будут связаны с резонатором 3 за счет электрического поля, и эта система управления частотой будет вносить в резонатор 3 реактивность, влияющую на его резонансную частоту. Величина этой реактивности будет определяться результирующей резонансной частотой цепи из отрезков короткозамкнутой линии 7 и линии 8, связанных через варикап 9, и зависит от емкости варикапа 9. Изменение емкости варикапа 9 осуществляется за счет изменения напряжения смещения на нем, которое подается через цепь подачи, подключенную к линии 8. В результате при изменении напряжения смещения на варикапе 9 будет происходить изменение резонансной частоты планарного диэлектрического резонатора 3 и, как следствие, изменение частоты генерируемого автогенератором СВЧ-сигнала. Диапазон перестройки частоты определяется изменением емкости варикапа 9 и степенью связи планарного диэлектрического резонатора 3 с микрополосковой линией 8. Степень связи определяется тем, на сколько проводник микрополосковой линии 8 будет выступать в полость резонатора 3. При небольших относительных диапазонах перестройки, свойственных СВЧ-диапазону, проводник линии 8 должен будет выступать в полость резонатора незначительно, а цепь подачи смещения на варикап и отрезок короткозамкнутой линии 7 будут полностью расположены над слоем металлизации 2 подложки 1.

Описание работы устройства показывает, что в нем может не только генерироваться стабильный по частоте СВЧ-сигнал, но и может изменяться электронным способом частота этого сигнала (изменением напряжения смещения на варикапе 9), а конструкция устройства значительно упрощена за счет использования одной диэлектрической подложки для выполнения топологии части планарного диэлектрического резонатора и цепей автогенератора. Выполнение их на одной подложке значительно упрощает совмещение проводников на неметаллизированной поверхности и отверстия в металлизированной поверхности подложки, а значит и разброс параметров автогенератора.

Предлагаемый СВЧ-автогенератор может быть реализован в различных вариантах, позволяющих одновременно генерировать стабильный СВЧ-сигнал, осуществлять его угловую модуляцию либо перестройку частоты сигнала.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве перестраиваемого генератора в СВЧ-синтезаторах частоты, как самостоятельный радиопередатчик в системах локации и передачи информации, а также в системах предупреждения столкновений автомобилей, активных фазированных антенных решетках. Технический результат заключается в возможности генерирования стабильного по частоте СВЧ-сигнала и изменения его электронным способом, а также в упрощении конструкции. Устройство содержит диэлектрическую подложку (1) с металлизацией (2) нижней поверхности с круглым отверстием (3) в ней, образующим планарный диэлектрический резонатор, расположенную на неметаллизированой поверхности подложки топологию автогенератора, включающую разомкнутую на одном конце U-образную микрополосковую линию (4) связи планарного диэлектрического резонатора и полупроводникового генерирующего элемента (5), систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора, содержащую варикап (9), включенный между двумя отрезками микрополосковых линий (7, 8), один из которых (7) короткозамкнут на втором конце, а также металлические экраны (11, 12), электрически соединенные с металлизацией (2) подложки (1). 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. СВЧ-автогенератор, содержащий диэлектрическую подложку, одна из поверхностей которой металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, а на второй поверхности выполнена топология СВЧ-автогенератора, включающая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, к которому подключены отрезок микрополосковой линии для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля, и отрезок микрополосковой линии для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, содержащую отрезок микрополосковой линии передачи с цепью смещения и варикапом, а также верхний и нижний металлические экраны, отличающийся тем, что диаметр отверстия в металлизации выбран из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора, в систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора введен второй отрезок микрополосковой линии, короткозамкнутый на одном конце, а варикап подключен в зазоре между первым и вторым отрезками микрополосковых линий, причем оба отрезка микрополосковых линий системы управления частотой расположены по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, микрополосковая линия связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположена на неметаллизированной поверхности подложки и касается окружности проекции отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки.2. СВЧ-автогенератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе использован диод Ганна, а микрополосковая линия связи планарного резонатора с диодом Ганна выполнена U-образной и разомкнута на свободном конце.3. СВЧ-автогенератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе использован транзистор, а к свободному концу U-образной микрополосковой линии связи планарного резонатора с транзистором подключен балластный резистор.