Стабилизированный транзисторный генератор СВЧ Российский патент 2022 года по МПК H03B5/08 

Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний, в частности к транзисторным генераторам, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн со стабилизацией выходных частот (до 100 ГГц) диэлектрическим резонатором (ДР) и может быть использовано в приемо-передающих устройствах СВЧ, радиолокационных датчиках, медицинской технике КВЧ терапии.

Известна конструкция генератора СВЧ миллиметрового диапазона длин волн, стабилизированного ДР, в микрополосковом исполнении (см. IEEE Microwave and Guided Wave JETTERS Vol.10, №04, April 2000 «Si/Sife HBT Dielectric Resonator Push-Rush Ocillator at 58GHz»), в котором два симметричных генератора, связанные с одним ДР (f_p=29 ГГц), генерируют сигналы с частотой f_p ДР, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 180°, складывающиеся затем на специальном микрополосковом сумматоре, с выхода которого сигнал с удвоенной частотой 2f_p ДР поступает на выход. Одним из недостатков, свойственных такой микрополосковой конструкции, является наличие сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения с элементов микрополосковой линии (МПЛ), что, при характерных для такого устройства габаритах платы с МПЛ, при помещении ее в экранированный объем приводит к возникновению паразитных обратных связей. Следствием этого является неустойчивость работы устройства в целом.

Устройства, выполненные на экранированных линиях передачи СВЧ сигнала, лишены указанного недостатка. Примером таких устройств являются два транзисторных генератора СВЧ, стабилизированных по частоте диэлектрическим резонатором (см. WOLFGANG J.R.HOEFER «Oscillators and Amplifiers in Integrated E-peane Technique» IEEE Transfactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.37, №2, February 1989, pp 559-561).

Первый из упомянутых генераторов работает на частоте собственного резонанса f_p цилиндрического диэлектрического резонатора (ЦДР), включенного в цепь селективной обратной связи между взаимно перпендикулярно расположенными щелевыми линиями цепей стока и затвора четырехплечной волноводно-щелевой конструкции. ЦДР расположен на обратной стороне диэлектрической подложки, причем проекция оси ЦДР лежит на биссектрисе угла, образованного щелевыми линиями затвора и стока.

Реализация такого конструктивно сложного генератора трудно достижима, когда параметры усиления транзистора недостаточны, а размеры ДР в рабочем диапазоне частот определяют его низкую добротность.

В упомянутом выше втором генераторе на основной частоте ДР генерация обеспечивается за счет компенсации потерь колебательной системы отрицательным сопротивлением цепи затвор-исток, подключенной к ДР, которые, в свою очередь, определяется внутренними параметрами транзистора. Выходной сигнал с частотой 2f_p ДР генерируется и выделяется в цепях СВЧ затвора и стока, настроенных на удвоенную частоту генерации.

Стабильность работы такого генератора в рабочем диапазоне температур и возможность достижения наиболее высоких выходных частот ограничены изменением внутренних параметров транзистора, определяющих отрицательное сопротивление в цепи затвор-исток.

Достижения наиболее высоких выходных частот сигнала на выходе генератора при стабильной работе в широком диапазоне температур окружающей среды возможно при использовании схемы генератора селективной положительной обратной связи на частоте f₁ и цепей, соединенных с активным элементом (транзистором), выделяющих и, если возможно, усиливающих составляющую спектра, генерируемого активным элементом сигнала с частотой 2f₁. К таким устройствам относится наиболее близкий по технической сущности к заявляемому транзисторный генератор СВЧ в соответствии с пат. РФ №2727277 «Транзисторный генератор СВЧ с электронной перестройкой частоты», з. 23.02.2020 г. Этот генератор содержит транзистор, в частности полевой, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, расположенными на первой диэлектрической подложке, установленной в волновод параллельно его продольной оси, перпендикулярно широкой стенке. При этом первая проводящая поверхность присоединена к одной широкой стенке волновода, а вторая и третья поверхности соединены на СВЧ посредством блокировочных LC-элементов с другой широкой стенкой волновода и изолированы от нее по постоянному току. Щели между упомянутыми тремя проводящими поверхностями и части объема волновода, окружающие их, образует волноводно-щелевые линии, отрезки которых являются резонансными и согласующими цепями, а именно: к затвору и истоку транзистора совместно замкнутым отрезком волновода подключен волноводно-щелевой резонатор на частоте 2f₁, к стоку и истоку подключены отрезки волноводно-щелевых линий, выполняющие функцию трансформатора с импедансом нагрузки волноводной линии, при этом вторая и третья проводящие поверхности выполнены четвертьволновыми на частоте f₁ и через RLC-фильтры соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников постоянного напряжения. Вторая диэлектрическая подложка установлена в волноводе с зазором относительно первой и содержит на своей поверхности полосковый резонатор, полуволновый на частоте f₁, электромагнитная связь которого со второй и третьей проводящими поверхностями четвертьволновой длины на частоте f₁ обеспечивает на этой частоте условия генерации. Описанный генератор характеризуется высокими выходными частотами.

Однако известное устройство имеет также серьезные недостатки. Так, даже при исключении элементов настройки, нестабильность частоты в рабочем диапазоне температур и уровень фазовых шумов, обусловленные невысокой добротностью полоскового резонатора на частоте f₁, остаются высокими и ограничивает область применения данного генератора.

Техническим эффектом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно повышение стабильности частоты выходного сигнала и снижения фазовых шумов в его спектре.

Этот эффект достигается тем, что в описанном выше генераторе в качестве резонатора, обеспечивающего генерацию на частоте f₁, вместо полоскового резонатора на поверхности второй диэлектрической подложки, обращенный к узкой стенке волновода, установлен диэлектрический резонатор с частотой собственной генерации f₁, преимущественно цилиндрический (ЦДР), проекция оси которого на плоскость первый диэлектрической подложки совпадает с местоположением на ней транзистора.

Такое расположение ЦДР обеспечивает связь магнитных полей щелевых линий, подключенных к затвору и стоку транзистора, с магнитным полем собственных колебаний ЦДР на частоте f₁, при этом в генераторе образуется цепь селективной положительной обратной связи, что вместе с достаточным коэффициентом связи ЦДР щелевых линий обеспечивает генерацию на частоте f₁.

Устройство предлагаемой конструкции представлена на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 1 представлен фрагмент заявляемого генератора, где 1 - транзистор, например полевой, исток И, затвор З и сток С которого соединены соответственно с первой 2, второй 3 и третьей 4 проводящими поверхностями, расположенными на диэлектрической подложке 5, помещенной в волновод 6 параллельно его продольной оси и перпендикулярной его широкой стенке. При этом первая проводящая поверхность 2 соединена с одной широкой стенкой волновода 6 и через проводящую поверхность 7, расположенную между проводящими поверхностями 3 и 4, соединена с другой широкой стенкой волновода 6. Вторая 3 и третья 4 проводящие поверхности соединены на СВЧ (на частоте выходного сигнала 2f₁) посредством блокировочных микрополосковых LC-элементов 8 со второй широкой стенкой волновода и изолированы от нее по постоянному току. Вторая 3 и третья 4 проводящие поверхности через RLC-фильтры 9 соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников напряжения (И_З и И_С).

Заявляемое волноводные устройство «целиком» представлено на фиг. 2, где параллельно упомянутой диэлектрической подложке 5 (фиг. 1) с зазором установлена в волновод вторая диэлектрическая подложка 10, на поверхности которой, обращенной к узкой стенке волновода, установлен диэлектрический резонатор 11, преимущественно цилиндрический (ЦДР), с частотой собственного резонанса f₁, причем проекция оси ЦРД на плоскость первой диэлектрической подложки 5 (фиг. 1) лежит в области размещения на ней транзистора 1 (фиг. 1). Кроме того, на узкой стенке волновода, обращенной к электрическому резонатору 11, соосно с ним установлен подвижный элемент 12 для установки частоты генератора f₁, например металлический или диэлектрический цилиндр. Дополнительно, как представлено на фиг. 3, на поверхности диэлектрической подложки 10, обращенный к первой диэлектрической подложке 5 (фиг. 1), в области, прилегающей к торцу диэлектрического резонатора 11, размещены элементы 13, обеспечивающие электронную перестройку частоты f₁, и цепи управления 14, подключенные к ним.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При совмещении двух фрагментов волноводного устройства (фиг. 1 и фиг. 3) образуется конфигурация элементов (фиг. 2), в которой между ДР 11 (фиг. 2) и четвертьволновыми отрезками проводящих поверхностей 3 и 4 (фиг. 1) на частоте f₁ возникает связь преимущественно через магнитные компоненты колебаний типа ТЕ на частоте резонанса ДР и колебаний тока в цепях затвора и стока (поверхности 3 и 4 на фиг. 1). При этом обеспечивается условие баланса фаз, а при расположении ДР 11 на подложке 10 (фиг. 2, фиг. 3) таким образом, что проекция его оси на подложке 5 (фиг. 2) лежит в области размещения транзистора 1 (фиг. 1), достигается коэффициент селективной положительной обратной связи в цепи сток-затвор на частоте f₁. При подаче напряжения через цепи 9 (фиг. 1) в системе возникает генерация колебаний на частоте резонанса ДР.

Уровень генерации в цепи селективной обратной связи определяется расстоянием между торцом ДР 11 и поверхностями 3 и 4 (фиг. 2), т.е. между подложками 5 и 10 (фиг. 2).

Поскольку на частоте f₁ блокировочные элементы 8 (фиг. 1) не замыкают на широкую стенку волновода проводящие поверхности 3 и 4 (фиг. 1), то волноводно-щелевые линии вдоль продольной оси волновода колебаниями с частотой f₁ в цепи стока и затвора транзистора 1 (фиг. 1) не возбуждаются и волны с частотой f₁ по ним не распространяются. Таким образом, энергия колебаний с частотой f₁ локализована в ДР 11 (фиг. 2) и в проводящих поверхностях 3 и 4 (фиг. 1, фиг. 2), являющихся фактически четвертьволновыми отрезками подвешенной полосковой линии в объеме, ограниченном стенками волновода.

В то же время генерируемые на нелинейности транзистора 1 (фиг. 1) высшие гармоники колебаний частотой f₁ возбуждают упомянутые волноводно-щелевые линии. В частности, в условии того, что на частоте 2f_{1 блокировочные LC-элементы 8 (фиг. 1) замыкают проводящие поверхности 3 и 4 (фиг. 1) на широкую стенку волновода и, поскольку волновод не является для волн с частотой колебаний 2f1 запредельным, вдоль оси волновода от точки подключения затвора транзистора 1 (фиг. 1) к проводящей поверхности 3 (фиг. 1) по полноводно-щелевой линии, образованной проводящими поверхностями 2 и 3 (фиг. 1) и отрезку регулярного волновода будет распространяться до короткозамыкателя 15 волна с частотой 2f1. При резонансе на частоте 2f1 в системе "импеданс затвор-исток транзистора 1, волноводно-щелевой резонатор, включающий волноводно-щелевую линию на поверхностях 2 и 3, и короткозамкнутый отрезок регулярного волновода", амплитуда колебаний между затвором и стоком транзистора 1 максимальна. От точки подключения стока транзистора 1 (фиг. 1) к проводящей поверхности 4 (фиг. 1) вдоль оси волновода по волноводно-щелевой линии, образованной проводящими поверхностями 4 и 2 (фиг. 1), являющейся волноводно-щелевым согласующим трансформатором, к которому подключен сток и исток транзистора 1 (фиг. 1) будет распространяться волна с частотой 2fl, амплитуда колебаний которой определяются электрическими параметрами транзистора на частоте 2f1.}

Значительно более высокая по сравнению с известным генератором добротность резонансной цепи селективной положительной обратной связи, обусловленной использованием в предлагаемом устройстве диэлектрического резонатора, в сочетании с возможностью выбора оптимальной нагруженности, обеспечивает высокую стабильность выходной частоты и низкий уровень фазовых шумов в выходном сигнале.

Для установки требуемой частоты выходного сигнала при технологическом разбросе резонансных частот ДР и точности их позиционирования в составе генератора предназначен элемент установки выходной частоты в выходе соосно с ДР подвижного цилиндра 12 (фиг. 2) из металла или диэлектрика, установленного в узкой стенке волновода. Требуемая частота устанавливается путем выбора и фиксации расстояния между торцами ДР 11 и цилиндра 10 (фиг. 2).

Для реализации частотной модуляции (манипуляции) выходного сигнала, на обратной стороне диэлектрической подложки 10 (фиг. 3) с установленным на ее поверхности ДР, в области, примыкающей к его торцу, размещены микрополосковые и электронные элементы 13 (фиг. 3), обеспечивающие электронную перестройку частоты выходного сигнала.

Пример реализации.

Изготовлены и испытаны экспериментальные образцы генератора 8 мм-диапазона длин волн и макетный образец генератора 5 мм-диапазона длин волн.

В экспериментальных образцах генераторов 8 мм-диапазона на диэлектрической подложке из кварцевого стекла размерами 5,8×4,5×0,2 мм методом тонкопленочной технологии сформированы первая, вторая и третья проводящие поверхности и установлен транзистор типа ЗП398А-5 или ЗП385А-А. Подложка размещена в канале волновода сечением 7,2×3,4 мм. Параллельно этой подложки с зазором 1,2 мм в волноводе установлена вторая подложка из кварцевого стекла размером 4,6×3,5×0,2 мм, на которой закреплен цилиндрический диэлектрический резонатор размером 2,75 мм, высотой 1,12 мм с ε=43.

Для оценки стабильности частоты и уровня фазовых шумов выходного сигнала собственно генератора элементы установки частоты и электронной перестройки частоты не применялись.

Макет генератора 5 мм-диапазона имеет аналогичную конструкцию при использовании рНЕМТ-транзистора с затвором 0,25×100 мкм, установленного посредством балочных выводов на кварцевую подложку размером 2,4×2,2×0,15 мм. Диэлектрический резонатор с ε=43 диаметром 1,3 мм высотой 0,6 мм закреплен на кварцевой подложке размерами 2,2×1,6×0,15 мм. Обе подложки установлены в канал волновода размером 3,6×1,8 мм параллельно друг другу с зазором 0,2 мм.

В результате испытаний получены следующие результаты:

- для экспериментального образца генератора 8 мм-диапазона частота выходного сигнала составляет 28832 мГц, температурный коэффициент частоты в диапазоне температур (-50°С ÷ 75°С) - 4,5⋅10^-6°С, СПШ ФШ (дБ/Гц) при отстройках (кГц) -68,4 - 1 кГц; -79,6 - 10 кГц; -102,6 - 100 кГц; -123 - 1 мГц.

- на макетном образце генератора 5 мм-диапазона получен режим стабилизации на частоте 58 500 мГц при выходной мощности Р_вых=0,2 мВт.

Таким образом, заявляемый стабилизированный транзисторный генератор СВЧ по сравнению с устройством-прототипом характеризуется следующими преимуществами:

- более высокой термостабильностью (у прототипа ТКЧ=3,02⋅10^-5°С);

- меньшим уровнем фазовых шумов (у прототипа со стабилизацией внешним объемным резонатором - 43 дБ/Гц при отстройке 1 кГц);

- реализацией режима стабилизации на более высоких выходных частотах.

Изобретение относится к области генерирования электрических колебаний, в частности к транзисторным генераторам, преимущественно миллиметрового диапазона длин волн со стабилизацией выходных частот (до 100 ГГц) диэлектрическим резонатором (ДР) и может быть использовано в приемо-передающих устройствах СВЧ, радиолокационных датчиках, медицинской технике КВЧ терапии. Устройство характеризуется более высокой термостабильностью, меньшим уровнем фазовых шумов и реализацией стабилизации на более высоких выходных частотах по сравнению с известными. Генератор содержит две электрические подложки, установленные в волновод параллельно его продольной оси и перпендикулярно широкой стенке. На одной из подложек размещен транзистор, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, сформированными на этой подложке. Первая проводящая поверхность присоединена к широкой стенке волновода и через проводящую поверхность, расположенную между второй и третьей проводящими поверхностями, соединена со второй широкой стенкой волновода. Вторая и третья проводящие поверхности соединены на СВЧ посредством блокировочных на частоте 2f₁ (f₁ - частота генерации, 2f₁ - входная частота) LC-элементов со второй широкой стенкой волновода, при этом щели между упомянутыми проводящими поверхностями и часть объема окружающего их волновода образуют согласующие цепи и совместно с короткозамыкателем волновода резонансную цепь на частоте 2f₁, причем первая, вторая и третья проводящие поверхности через RLC фильтры соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников напряжения. На поверхности второй диэлектрической подложки, обращенной к узкой стенке волновода, установлен диэлектрический резонатор с частотой собственного резонанса f₁, проекция оси которого на поверхность первой диэлектрической подложки совпадает с местоположением транзистора. Для установки резонансной частоты f₁ на узкой стенке волновода, обращенной к диэлектрическому резонатору, соосно с ним размещен подвижный элемент. На поверхности второй диэлектрической подложки, обращенной к первой диэлектрической подложке, в области, примыкающей к торцу диэлектрического резонатора, размещены элементы, обеспечивающие электрическую перестройку последнего, и цепи управления, подключенные к ним. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизированный транзисторный генератор СВЧ, содержащий транзистор, например полевой, исток, затвор и сток которого соединены соответственно с первой, второй и третьей проводящими поверхностями, сформированными на диэлектрической подложке, установленной в волновод параллельно его продольной оси и перпендикулярно его широкой стенке, причем первая проводящая поверхность присоединена к широкой стенке волновода и через проводящую поверхность, расположенную между второй и третьей проводящими поверхностями, соединена со второй широкой стенкой волновода, а вторая и третья проводящие поверхности соединены на СВЧ посредством блокировочных на частоте 2f₁ (f₁ - частота генерации, 2f₁ - выходная частота) LC-элементов со второй широкой стенкой волновода, при этом щели между упомянутыми проводящими поверхностями и часть объема окружающего их волновода образуют согласующие цепи и совместно с короткозамыкателем волновода резонансную цепь на частоте 2f₁, причем первая, вторая и третья проводящие поверхности через RLC фильтры соединены с соответствующими полюсами первого и второго источников напряжения, а параллельно упомянутой диэлектрической подложке в волноводе с зазором относительно нее установлена вторая диэлектрическая подложка, содержащая резонатор, обеспечивающий генерацию на частоте f₁, отличающийся тем, что таким резонатором является установленный на обращенной к узкой стенке волновода поверхности второй диэлектрической подложки резонатор, преимущественно цилиндрический, с частотой собственного резонанса f₁, проекция оси которого на поверхность первой диэлектрической подложки совпадает с местоположением транзистора.

2. Стабилизированный транзисторный генератор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что на узкой стенке волновода, обращенной к диэлектрическому резонатору, соосно с ним размещен подвижный элемент, например металлический или диэлектрический цилиндр.

3. Стабилизированный транзисторный генератор СВЧ по п. 1, отличающийся тем, что на поверхности второй диэлектрической подложки, обращенной к первой диэлектрической подложке, в области, примыкающей к торцу диэлектрического резонатора, размещены элементы, обеспечивающие электрическую перестройку последнего, и цепи управления, подключенные к ним.