СВЧ АКТИВНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2009 года по МПК H01Q13/00 

Изобретение относится к области радиоэлектроники и представляет собой интегрированный с антенной СВЧ автогенератор, который может использоваться в активных фазированных антенных решетках, построенных без диаграммообразующего тракта из делителей и фазовращателей, когда активные модули решетки выполняют одновременно функции генерирования, модуляции и излучения СВЧ колебаний; как самостоятельный радиопередатчик и излучатель в системах локации и передачи информации, а также в системах предупреждения столкновений автомобилей и во многих других случаях, когда в пространство излучаются и складываются в нем энергии СВЧ сигналов с угловой модуляцией.

Известны автогенераторы СВЧ сигнала, интегрированные с излучающим элементом в виде микрополосковой или щелевой patch-антенны, служащей одновременно и стабилизирующим генерируемую частоту элементом. Такие устройства описаны, например, в патентах США №4736454, №5450040 и №5982245. На основе таких автогенераторов, интегрированных с антенным элементом, строятся активные фазированные антенные решетки, выполняющие одновременно функции генерирования и модуляции СВЧ колебаний, а также излучения этих колебаний. За счет взаимной синхронизации связанных через излучатели автогенераторов обеспечивается фазовая синхронизация их колебаний, что позволяет получить остронаправленное излучение антенной решетки без диаграммообразующей схемы из делителей и фазовращателей, имеющих большие потери в верхней части СВЧ диапазона. Однако недостатками таких устройств являются низкая добротность микрополоскового излучателя и, как следствие, низкая стабильность частоты генерируемого и излучаемого сигнала.

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".

В этих фильтровых устройствах планарные диэлектрические резонаторы используются не только как элемент фильтрующей цепи, но и как излучающий элемент (антенна). В планарных диэлектрических резонаторах при этом возбуждаются гибридные моды колебаний, при которых сигнал излучается в свободное пространство. На основе таких фильтров строятся фазированные антенные решетки, выполняющие одновременно функции фильтрации и излучения либо приема и фильтрации СВЧ сигнала, обеспечивающие требуемые формы диаграмм направленности в пространстве. Однако эти устройства не имеют в своем составе активного генерирующего элемента и, следовательно, не могут сами генерировать СВЧ сигнал и не могут использоваться как элементы активных фазированных решеток. В этих фильтрах отсутствует электронная перестройка частоты резонаторов. Кроме того, за счет возбуждения оконечного планарного диэлектрического резонатора фильтра, служащего одновременно антенной, с помощью щели или отрезка микрополосковой линии, как это делается в приведенных выше работах, диаграмма направленности у таких излучателей оказывается несимметричной из-за сложения диаграмм направленности резонатора и щели (проводника микрополосковой линии). Для получения осесимметричной диаграммы направленности требуется установка над излучающим планарным диэлектрическим резонатором добавочного экранирующего слоя металлизации с круглым отверстием в нем, как это сделано в перечисленных выше работах, что увеличивает размеры и стоимость фильтра-излучателя.

Известны и СВЧ автогенераторы с электронной перестройкой частоты, в которых для стабилизации частоты автогенератора используются планарные диэлектрические резонаторы, позволяющие сравнительно просто реализовать систему электронной перестройки частоты 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. Като, 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, р.119. Однако эти автогенераторы не содержат в своем составе излучающего элемента (антенны) и при использовании в активной фазированной решетке требуют добавочной установки антенного элемента и осуществления соединения с ним.

Конструкция автогенератора, описанная в патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. H01P 1/20), является наиболее близким по совокупности существенных признаков.

Известное устройство содержит две диэлектрические подложки, расположенные друг под другом. На верхней поверхности первой из подложек изготовлена топология автогенератора, содержащая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, подключенный к полупроводниковому генерирующему элементу отрезок микрополосковой линии для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором и систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора в виде отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения, нагруженного на одном конце на подключенный к заземленной металлизации варикап. 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 одинаковые круглые 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 отрезок микрополосковой линии связи проходит по хорде отверстий в металлизации на поверхностях второй диэлектрической подложки, то он возбуждает в планарном диэлектрическом резонаторе резонансные колебания волн типа ТЕ₀₁₀.

Вторая подложка заключена в металлизированный экран, соединенный с металлизацией, а первая подложка закрыта сверху металлическим экраном.

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 и делает практически невозможной установку излучающего элемента, интегрированного с автогенератором. Казалось бы, в качестве излучающего элемента (антенны) можно было в этом устройстве использовать излучение планарного диэлектрического резонатора. Однако излучение вверх, даже при отсутствии верхнего металлического экрана, невозможно из-за экранирующего эффекта размещенных над планарным диэлектрическим резонатором проводников отрезка микрополосковой линии связи и отрезка микрополосковой линии передачи с цепью смещения, расположенных на верхней подложке автогенератора по хордам отверстий в металлизациях второй подложки, образующих планарный диэлектрический резонатор. Излучение же с нижней поверхности планарного диэлектрического резонатора будет давать ассиметричную диаграмму направленности из-за сложения диаграмм направленности резонатора и проводников микрополосковых линий, расположенных под отверстиями в металлизации, образующими планарный резонатор. Кроме того, в колебаниях волн тип ТЕ₀₁₀ электрическое и магнитное поля сосредоточены в основном внутри диэлектрика второй подложки и излучение во внешнюю среду будет слабым, а значит и активный антенный модуль, реализованный на основе известного устройства, будет иметь малый КПД (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). Излучение из диэлектрического резонатора имеет обычно эллиптическую поляризацию. В ряде же практически важных случаев необходимо, чтобы диаграмма была не только осесимметричной, но и имела строго выраженную линейную поляризацию, либо одну из круговых поляризаций.

Таким образом задачей, решаемой в заявляемом на патент устройстве, является создание активного излучающего СВЧ модуля с перестраиваемой частотой, с симметричной диаграммой направленности, с возможностью управления поляризацией излучаемого сигнала, для работы в составе активных фазированных решеток.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, так же 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 подключен одним концом отрезок микрополосковой линии связи, связанной за счет электромагнитного поля со стабилизирующим частоту автогенератора планарным диэлектрическим резонатором, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, содержащую отрезок микрополосковой линии передачи с цепью смещения и варикапом, а также металлический экран. Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом СВЧ активном модуле диаметр отверстия в металлизации на первой поверхности подложки 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, отрезок микрополосковой линии связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположен на неметаллизированной поверхности и касается проекции окружности отверстия в металлизации на не металлизированную поверхность подложки, а экран расположен со стороны металлизированной поверхности подложки и соединен с металлизацией.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в реализации СВЧ активного излучающего модуля, поскольку заявляемый, в отличие от прототипа, может не только генерировать стабильный по частоте СВЧ сигнал, но и излучать его в верхнюю полусферу, причем диаграмма направленности излучателя является осесимметричной, что позволяет использовать его в активных фазированных антенных решетках. Предлагаемое устройство более просто в конструктивной реализации, поскольку в нем, в отличие от прототипа, планарный диэлектрический резонатор и топология автогенератора изготовлены на одной диэлектрической подложке и в нем не возникает проблем точной юстировки положения резонатора относительно отрезка микрополосковой линии связи резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом. Частота генерируемого и излучаемого СВЧ сигнала может изменяться электронным способом за счет изменения напряжения на варикапе, что позволяет выполнять угловую модуляцию генерируемого СВЧ сигнала.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует СВЧ активный модуль, в котором отрезок микрополосковой линии связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом выполнен U-образным.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что U-образный изгиб отрезка микрополосковой линии связи планарного резонатора позволяет максимально возможно удалить разомкнутый конец данной линии связи, на котором будет пучность напряжения и с которого может излучаться сигнал, от планарного диэлектрического резонатора и тем самым уменьшить искажение результирующей диаграммы направленности предлагаемого СВЧ активного модуля.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует СВЧ активный модуль, в котором введена вторая диэлектрическая подложка, расположенная параллельно первой диэлектрической подложке со стороны ее металлизированной поверхности, внешняя поверхность второй подложки металлизирована, при этом в металлизации выполнено отверстие равного размера с отверстием в металлизации на поверхности первой диэлектрической подложки и расположенное соосно с ним.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что планарный диэлектрический резонатор будет образован отверстиями в металлизации поверхностей обеих диэлектрических подложек, что позволяет увеличить его добротность, а значит и стабильность частоты сигнала, генерируемого и излучаемого СВЧ активным модулем. Вторая подложка заключена в металлический экран, препятствующий излучению СВЧ сигнала в нижнюю полусферу и повышающий добротность планарного диэлектрического резонатора.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 4 формулы изобретения, характеризует СВЧ активный модуль, в котором введен соединенный с металлизацией второй металлический экран, расположенный со стороны второй поверхности первой диэлектрической подложки, причем в упомянутом экране выполнена по меньшей мере одна щель, размеры которой выбраны из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что за счет токов, наводимых на втором экране электрическим полем планарного диэлектрического резонатора, будет возбуждаться выполненная в металлическом экране щелевая антенна, которая позволит получить в верхней полусфере симметричную диаграмму направленности излучения СВЧ активного модуля с линейной поляризацией или, в случае системы из двух ортогональных щелей, с билинейной или круговой поляризациями.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана одна из возможных конструкций заявляемого СВЧ активного модуля. На фиг.2 показано распределение электрического и магнитного поля в планарном диэлектрическом резонаторе на гибридном типе колебаний НЕМ_11δ. На фиг.3 схематически показана конструкция СВЧ активного модуля с двумя диэлектрическими подложками. На фиг.4 схематически показана конструкция СВЧ активного модуля с двумя экранами и щелевыми излучателями во втором экране.

Заявляемое устройство содержит первую диэлектрическую подложку 1, нижняя поверхность 2 которой металлизирована, а в металлизации выполнено круглое отверстие 3, U-образный отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного диэлектрического резонатора, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5 с цепью подачи питания, 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, второй отрезок микрополосковой линии 6, короткозамкнутый на одном конце, и отрезок микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения на варикап 8, также расположенные на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 перпендикулярно U-образному отрезку микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора, варикап 8, подключенный в зазоре между короткозамкнутым вторым отрезком микрополосковой линии 6 и отрезком микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения, металлизированное отверстие 9, проходящее через подложку 1 от короткозамкнутого конца второго отрезка микрополосковой линии 6 до металлизации 2, вторую диэлектрическую подложку 10, расположенную под первой подложкой 1 со стороны ее металлизированной поверхности с металлизацией нижней поверхности 11 с круглым отверстием 12 в ней, одного размера и расположенным соосно с отверстием 3 в металлизации 2 на нижней поверхности первой диэлектрической подложки 1, расположенный снизу первый металлический экран 13, электрически соединенный с металлизациями на нижних поверхностях первой 1 и второй 10 диэлектрических подложек, второй металлический экран 14, расположенный сверху и электрически соединенный с металлизациями подложек, щелевой излучатель 15, выполненный во втором металлическом экране 14.

Первая 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 НЕМ_11δ, равна частоте генерируемых колебаний. Генерируемой частотой определяется диаметр отверстия в металлизациях обеих подложек.

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 отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора. Этот отрезок линии расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 планарного диэлектрического резонатора на верхнюю сторону подложки, так что проводник отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора расположен полностью над металлизированным слоем 2 и не выступает в полость резонатора. Если в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется диод Ганна или лавинно-пролетный диод, то отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора будет разомкнут на свободном конце, если же в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется транзистор, то отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора подключается к входному электроду транзистора, а на ее втором свободном конце обычно подключают резистор, препятствующий возникновению паразитных колебаний.

На фиг.1 приведена самая сложная и перспективная U-образная конфигурация отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора генерирующего полупроводникового элемента 5 и планарного диэлектрического резонатора 3, при которой свободный конец отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора максимально удален от планарного диэлектрического резонатора 3. Для упрощения реализации может использоваться отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора 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 короткозамкнутого через металлизированное отверстие 9 второго отрезка микрополосковой линии 6 и отрезка микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения, подключенной к источнику смещения варикапа 8. Варикап 8 подключен в зазоре между первым и вторым отрезками микрополосковых линий 6 и 7, причем оба отрезка микрополосковых линий системы управления частотой расположены по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации 2 на вторую поверхность подложки 1. При этом второй отрезок микрополосковой линии 6 расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1, а свободный конец проводника отрезка микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения входит в проекцию отверстия 3 на верхнюю поверхность подложки 1.

Металлизированное отверстие 9 служит для короткого замыкания по высокой частоте и по постоянному току одного из концов второго отрезка микрополосковой линии 6. Возможны и иные конструктивные варианты выполнения короткого замыкания на одном из концов второго отрезка микрополосковой линии 6 системы управления частотой планарного диэлектрического резонатора, а не только с помощью металлизированного отверстия 9. Возможны и другие различные конфигурации микрополосковой линии и цепи подачи смещения на варикап 8. В качестве варикапов 8 могут использоваться полупроводниковые или пленочные сегнетоэлектрические конденсаторы.

Второй металлический экран 14 с выполненной в нем щелью 15 может также иметь различную конфигурацию. При необходимости излучения сигнала с линейной поляризацией в экране выполняется одна щель, как показано на фиг.4, если необходимо излучать сигнал с билинейной или круговой поляризацией, то в металлическом экране 14 могут быть выполнены две ортогональные щели, или даже система щелевых излучателей.

Заявляемый СВЧ активный антенный модуль работает следующим образом.

СВЧ сигнал от полупроводникового генерирующего элемента 5 распространяется по отрезку микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора. Так как проводник U-образного отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора связан за счет электромагнитного поля с планарным диэлектрическим резонатором, то в линии возникает стоячая волна напряжения, причем длина U-образного колена отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора подбирается таким образом, чтобы пучность магнитного поля была расположена на изгибе проводника отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора, а сам проводник в месте изгиба был расположен близко к краю и касался проекции отверстия 3 в металлизации 2, образующего планарный диэлектрический резонатор. Таким образом, отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора и планарный диэлектрический резонатор 3 будут связаны за счет магнитного поля. У края отверстия 3 резонатора в месте наиболее близкого расположения проводника отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора будет расположена пучность магнитного поля. В результате в планарном резонаторе возбуждаются СВЧ колебания гибридной моды НЕМ_11δ, распределение электрического и магнитного полей для которой показано на фиг.2 (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). Планарный диэлектрический резонатор 3 вместе с отрезком микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора 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 планарного резонатора, 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.

Поскольку со стороны металлизированной поверхности диэлектрическая подложка закрыта металлическим экраном 13, соединенным с металлизацией 2, а сверху диэлектрической подложки 1 отсутствует металлический экран, то часть запасенной в планарном диэлектрическом резонаторе 3 энергии СВЧ сигнала будет излучаться в верхнюю полусферу свободного пространства. При возбуждении в резонаторе колебаний гибридной моды HEM_11δ излучение в свободное пространство будет наиболее интенсивным из всех других типов колебаний (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). Таким образом, планарный диэлектрический резонатор 3 будет одновременно являться элементом, определяющим частоту автогенератора, и антенным элементом, излучающим сигнал в верхнюю полусферу.

Проводник отрезка микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения 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 отрезок микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения, а значит варикап 8 и короткозамкнутый второй отрезок микрополосковой линии 6 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 второго отрезка микрополосковой линии 6 и отрезка микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения, связанных через варикап 8, которая зависит от емкости варикапа 8. Изменение емкости варикапа 8 осуществляется за счет изменения смещения на нем, которое подается через цепь подачи, подключенную к отрезку микрополосковой линии передачи 7. В результате при изменении напряжения смещения на варикапе 8 будет происходить изменение резонансной частоты планарного диэлектрического резонатора 3 и, как следствие, изменение частоты генерируемого и излучаемого автогенератором СВЧ сигнала. Диапазон перестройки частоты определяется изменением емкости варикапа 8 и степенью связи планарного диэлектрического резонатора 3 с отрезком микрополосковой линией передачи 7 с цепью смещения. Степень связи определяется тем, на сколько отрезок микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения будет выступать в полость резонатора 3. При небольших относительных диапазонах перестройки, свойственных СВЧ диапазону, отрезок микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения должен будет выступать в полость резонатора незначительно, а цепь подачи смещения на варикап будет полностью расположена над слоем металлизации 2 подложки 1.

СВЧ модуль может выполнять свои функции с элементами, расположенными только на первой диэлектрической подложке 1. Однако, при добавлении второй диэлектрической подложки 10, расположенной под первой подложкой 1 с металлизацией нижней поверхности 11 с круглым отверстием в ней 12, одного размера и расположенным соосно с отверстием 3 в металлизации 2 на нижней поверхности первой диэлектрической подложки 1 планарный диэлектрический резонатор будет образован отверстиями в металлизации противоположных поверхностей обеих диэлектрических подложек, что позволяет увеличить его добротность (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). Увеличение добротности колебательной системы автогенератора повышает стабильность частоты сигнала, генерируемого и излучаемого СВЧ модулем, и уменьшает уровень фазовых шумов.

Поскольку возбуждающий колебания в резонаторе разомкнутый U-образный отрезок микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора расположен на неметаллизированной верхней поверхности первой подложки 1 и над металлизацией нижней поверхности второй подложки 10, т.е. не выступает в полость резонатора 3, то ее излучение будет минимальным и не будет искажать диаграмму направленности резонатора. Наиболее опасным с точки зрения излучения сигнала является разомкнутый конец отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора, на котором находится пучность напряжения генерируемого СВЧ сигнала. U-образный изгиб отрезка микрополосковой линии связи 4 планарного резонатора позволяет максимально возможно удалить этот разомкнутый конец линии, с которого может излучаться сигнал, от планарного диэлектрического резонатора 3 и тем самым свести к минимуму искажение результирующей диаграммы направленности предлагаемого СВЧ активного модуля.

Не будет искажать диаграмму направленности и система управления частотой планарного резонатора, образованная вторым отрезком микрополосковой линии 6, отрезком микрополосковой линии передачи 7 с цепью смещения и подключенным в зазоре между ними варикапом 8 и короткозамыкателем 9, поскольку она является пассивной. Таким образом, излучающий элемент в заявляемом СВЧ активном модуле представляет собой круглое отверстие без электрических неоднородностей. В результате диаграмма направленности в заявляемом СВЧ активном модуле будет осесимметричной.

Описание работы устройства показывает, что в нем может не только генерироваться стабильный по частоте СВЧ сигнал, частота которого может изменяться электронным способом (изменением напряжения смещения на варикапе 8), но и излучаться в верхнюю полусферу, причем диаграмма направленности излучателя является осесимметричной, 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 верхней поверхности подложки и отверстия в металлизации на нижней поверхности, а значит и разброс параметров автогенератора и излучателя. Неточное совмещение отверстий 3 и 12 в металлизации 2 и 11 нижних поверхностей первой 1 и второй 10 диэлектрических подложек не будет существенно влиять на эффективность работы автогенератора, а лишь несколько понизит добротность планарного диэлектрического резонатора, образованного отверстиями в металлизации нижних поверхностей обеих подложек (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).

Излучение из диэлектрического резонатора имеет обычно эллиптическую поляризацию. В ряде же практически важных случаев необходимо, чтобы диаграмма была не только осесимметричной, но и имела строго выраженную линейную поляризацию, либо одну из круговых поляризаций. В заявляемом СВЧ активном модуле это достигается заключением первой диэлектрической подложки 1 во второй металлический экран 14, на наружной поверхности которого выполнен щелевой излучатель 15, как показано на фиг.4. Электрическое поле планарного диэлектрического резонатора 3 будет наводить СВЧ токи на внутренней поверхности второго металлического экрана 14, расположенного над верхней поверхностью первой диэлектрической подложки 1. Этими токами будет возбуждаться выполненная в металлическом экране 14 щелевая антенна 15. Если размеры щели 15 выбраны из условия резонанса на рабочей частоте автогенератора, то такая щель позволит получить в верхней полусфере симметричную диаграмму направленности излучения СВЧ активного антенного модуля с линейной поляризацией. В случае необходимости получения билинейной поляризации в экране 14 может быть реализована система из двух ортогональных щелей. Система ортогональных щелей позволяет получить и оба варианта круговой поляризации излученного сигнала. Наличие в верхней части СВЧ активного модуля второго экрана 14, кроме того, позволяет увеличить добротность планарного диэлектрического резонатора, образованного системой отверстий 3 и 12 в металлизациях первой и второй диэлектрических подложек 2 и 11 (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).

Таким образом предлагаемый СВЧ активный модуль может быть реализован в различных вариантах, позволяющих одновременно генерировать стабильный СВЧ сигнал, осуществлять его угловую модуляцию либо перестройку частоты сигнала, излучать СВЧ сигнал с осесимметричной диаграммой направленности при различных поляризациях.

Устройство относится к области радиоэлектроники и представляет собой интегрированный с антенной СВЧ автогенератор, который может использоваться в активных фазированных антенных решетках, построенных без диаграммообразующего тракта из делителей и фазовращателей. Технический результат, достигаемый предлагаемым решением, состоит в возможности не только генерировать СВЧ сигнал с электронной перестройкой частоты, но и излучать его в верхнюю полусферу, причем диаграмма направленности излучателя является осесимметричной, что позволяет использовать его в активных фазированных антенных решетках. Заявляемое устройство содержит диэлектрическую подложку (10) с металлизированной поверхностью (2) с круглым отверстием (3) в ней, образующим планарный диэлектрический резонатор, расположенную на второй поверхности подложки топологию автогенератора, включающую U-образный отрезок микрополосковой линии (4) связи планарного диэлектрического резонатора и полупроводникового генерирующего элемента (5), систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора, содержащую варикап (8), включенный между двумя отрезками микрополосковых линий (6) и (7), один из которых (6) короткозамкнут на втором конце, а также металлический экран (13), расположенный со стороны металлизированной поверхности подложки и электрически соединенный с металлизацией (2) подложки (1). 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ активный модуль, 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 подключен одним концом отрезок микрополосковой линии связи, связанной за счет электромагнитного поля со стабилизирующим частоту автогенератора планарным диэлектрическим резонатором, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, содержащую отрезок микрополосковой линии передачи с цепью смещения и варикапом, а также металлический экран, отличающийся тем, что диаметр отверстия в металлизации на первой поверхности подложки 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, отрезок микрополосковой линии связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположен на неметаллизированной поверхности и касается проекции окружности отверстия в металлизации на не металлизированной поверхности подложки, а экран расположен со стороны металлизированной поверхности подложки и соединен с металлизацией.

2. СВЧ активный модуль по п.1, отличающийся тем, что отрезок микрополосковой линии связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом выполнена U-образным.

3. СВЧ активный модуль по п.1, отличающийся тем, что в него введена вторая диэлектрическая подложка, расположенная параллельно первой диэлектрической подложке со стороны ее металлизированной поверхности, внешняя поверхность второй подложки металлизирована, при этом в металлизации выполнено отверстие равного размера с отверстием в металлизации на поверхности первой диэлектрической подложки и расположенное соосно с ним.

4. СВЧ активный антенный модуль по п.1, отличающийся тем, что в него введен соединенный с металлизацией второй металлический экран, расположенный со стороны второй поверхности первой диэлектрической подложки, причем в упомянутом экране выполнена по крайней мере одна щель, размеры которой выбраны из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора.