Генератор Советский патент 1992 года по МПК H03B9/14 H03D7/14 

Изобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования при разработке радиоаппаратуры в наиболее коротковолновой части СВЧ-диапазона.

Целью изобретения является повышение мощности и устойчивости генерации на гармонике основного сигнала.

На фиг. 1 изображена конструкция генератора; на фиг. 2 - изометрическая проекция дифракционной решетки.

Генератор содержит открытый резонатор основного сигнала, образованный сферическим отражателем 1 и дифракционной. решеткой 2, и открытый резонатор сигнала гармоники, образованный сферическим отражателем 3 и дифракционной решеткой 2. Вывод энергии выполнен в виде отрезка квазиоптической линии передачи 4 с фокусирующей в виде отрезка квазиоптической линии передачи 4 с фокусирующей линзой 5.

Дифракционная решетка 2 содержит металлическую подложку б, на которой расположен диэлектрический слой 7, на свободной поверхности которого размещены параллельные металлические ленты 8. Каждый из полупроводниковых диодов 9 включен между соответствующей металлической лентой 8 и металлической подложкой 6. Напряжение смещения подводится к полупроводниковым диодам 9 по металлическим лентам 8. Ось резонатора основного сигнала перпендикулярна поверхности дифракционной решетки 2, а ось резонатора сигнала гармоники образует с перпендикуляром к поверхности решетки угол рп такой, что sin ipt, - ± A /2nl. При этом толщина

VI VI

fc §

h диэлектрического слоя 7 и расстояние d между металлическими лентами 8 должны удовлетворять соотношениям;

h - {( Ј/А2 -1) 1/2-0,4}1,

-60.31, где I - период дифракционной решетки;

к - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического слоя;

А- длина волны основного сигнала;

п - номер гармоники.

Генератор работает следующим образом.

Общеизвестно, что при падении на периодическую отражательную решетку плоской монохроматической волны в общем случае над ней образуется спектр плоских неоднородных и однородных волн. Неоднородные волны экспоненциально затухают по нормали к решетке, однородные волны могут уносить энергию от решетки под углами, определяемыми выражением

sin -рА /l-sin (p,

где р 0, ±1, ±2,... номер пространственной однородной волны (так называемые пространственные гармоники), - угол, под которым р-пространственная гармоника уходит от решетки, р- угол, иод которым приходит падающая волна (углы измеряются от нормали к решетке против хода часовой стрелки).

Случай, когда рр р , т.е. происходит совпадение угла падения волны и угла, под которым уходит р-простраиственная гармоника, называется режимом автоколлимационного отражения и описывается выражением

,- Р-1 21

sin р

Открытый резонатор основной частоты f с/А будем конструировать так, чтобы его ось была перпендикулярна поверхности дифракционной решетки 2, т.е. (р -(рр О, Для того, чтобы в этом резонаторе не возникали пространственные гармоники с р 5й О, т.е. во избежание возникновения дифракционных потерь, необходимо, чтобы

что следует из очевидного условия i sin р I 1

Если смонтировать i-полупроводнико- вый диод 9 (ДГ или ЛПД) между металлической подложкой 6 и металлической лентой 8 и подвести напряжение U/i смещения, в резонаторе основного сигнала возникнут автоколебания на частоте f, определяемой формулой:

тотлтт 4 --5 11

f fnгде L - длина резонатора основного сигнала, R - радиус кривизны сферического отражателя 1, А L-поправка к резонансной длине мз-за наличия фазового сдвига волны,

отраженной от дифракционной решетки 2, по сравнению с плоским металлическим отражателем. Формула выписана для низшего TEM0oq(q 1,2...) типа колебаний резонатора основного сигнала, который предпочти0 телен в описываемом генераторе.

Хотя численное значение ЛL для заданной частоты f можно рассчитать, предпочтительнее предусмотреть возможность перемещения сферического отражателя 1

5 вдоль оси резонатора основного сигнала для настройки на желаемую частоту.

СВЧ-ток, проходящий через полупроводниковый диод 9, имеет сложную форму, зависящую от множества факторов (режима

0 работы, уровня СВЧ-напряжения и пр.), а следовательно, богат гармониками. В рассматриваемом устройстве открытый резонатор сигнала гармоники на частоте п гармоники образован сферическим отража5 телем 3 и дифракционной решеткой 2, установленной под углом автоколлимации рг, для п гармоники (п 2,3 ... номер гармоники), с частотой fn nf, а р 0, ±1, ± 2 ... - номер гармоники пространственного спект0 ра решетки.

Рассмотрим режим, когда пространственный сектор состоит из двух пространственных гармоник - пулевой, зеркальной по отношенью к падающей волне, и (-1)-ой б

5 режиме автоколлимации. Таким образом, энергия падающей волны (прием ее за единицу) распределяется между двумя направлениями - зеркальным и обратным падающей волне. Случай, когда вся энергия

0 падающей волны направлена в автоколлимационную гармонику, будем называть режимом полного автоколлимационного отражения (ПАО).

Опишем дифракционную решетку экви5 валентным восьмиполюсником, обозначив коэффициенты преобразования на отдельно стоящей ленточной решетке следующим образом:

Ro - из нулевой, падающей в нулевую

0 отраженную гармонику;

RI - из нулевой, падающей в (-1) отраженную гармонику;

То - из нулевой, падаюа1ей в нулевую прошедшую гармонику;

5 Ti - из нулевой, падающей в (-1) прошедшую гармонику.

Учитывая соотношения То 1 -В0иТ1- RL получим условие для режима ПАО на всей решетке

4 (р± где р 2RQ + 1 + Rzr

р2 - 4 Ro Q )-апдО 2лт,

-R2o;

т 0,1,2....

Q--2(R2i-R2o)-Ro, ,

Г0 12е/А2-1/4

Для анализа уравнения необходимо знать коэффициенты преобразования R0, Ri, То и TL которые могут быть получены численно, используя метод задачи Римана- Гильберта с решением соответствующих систем сумматорных уравнений (см. Шестопалов В.П. Метод задачи Римана- Гильберта в теории дифракции и распрост- ранения электромагнитных волн. - Харьков, Гос.ун-т, 1971. -100 с.).

Однако если d 0,31 условие для режима ПАО можно упростить, аппроксимировав выражение в квадратных скобках уравне- ния. В результате

Me 1 у V j2 ,2 /

-Vi

Ј

- 0,41.

Подставив требуемые значения длины волны А , получим выражение входящее в формулу изобрегения, означающее необходимое условие для конструирования резонатора n-гармоникм. Помимо соотношений, связывающих между собой параметры l,d,h, конкретной решетки на выбранной длине волны А /п, остается верным и общее соотношение, определяющее угол, под которым наблюдается режим ПАО, и получаемое для (-1)-й пространственной гармоники () и п временной гармоники (An А /п). Именно под углом рп ось открытого резонатора сигнала п гармоники в предложенном генераторе должна пересекать дифракционную решетку 2, т.е. ориентация сферического отражателя 3 должна быть такова, чтобы центр кривизны находился на этой оси. Два знака (+ или -) означают, что вследствие симметрии дифракционной решетки 2 ось от- крытого резонатора сигнала гармоники может лежать как слева, так и справа от оси открытого резонатора основного сигнала. Полупроводниковые диоды 9 должны располагаться в области максимума распреде- лений электрических полей как основного сигнала, так и его гармоники, и с точки зрения согласования импедансов диодов 9 и открытого резонатора основного сигнала зазор h между металлическими лентами 8 и металлической подложкой 6 должен быть порядка 0,1 А. Сформулированные требования выполняются, если I (0,4-0,6) А.

Вывод энергии можно выполнять известными способами, например, с помощью

Q 15

5

0 5 0 5 0 5

щели связи в сферическом отражателе 3. Однако в диапазоне, где применение данного технического решения наиболее оправдано, подобные элементы связи малопригодны. Предпочтительны распределенные выводы энергии, непосредственно согласующие лу- чеводные линии передачи с выходом генератора.

Сферический отражатель 3 открытого резонатора сигнала гармоники установлен с возможностью изменения угла р между его осью и нормалью к поверхности дифракционной решетки 2 в пределах р - фп Ј Ј 0,5 rfk При этом ось квазиоптической линии 4 передачи установлена под углом ±(рп к оси резонатора основного сигнала в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки 2. Указанный диапазон изменения угла ср обеспечивает изменение коэффициента связи 3 резонатора основного сигнала с отрезком квазиоптической линии передачи в пределах 0 Ј /.Ј 10. что обеспечивает также оптимизацию выходной мощности.

Генератор характеризуется низким уровнем ЧМ-шумов, использованием пла- нарной технологии и может быть использован в качестве гетеродина с низким уровнем частотно-модулиоовакных шумов.

Формула изобретения

1. Генератор, содержащий открытые резонаторы основного сигнала и сигнала гармоники, каждый из которых образован соответствующим сферическим отражателем и дифракционной решеткой с установленным в центра полупроводниковым диодом, при этом открытый резонатор сигнала гармоники снабжен выводом энергии, а оси открытых резонаторов расположены в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки с пересечением в ее центре, отличающийся тем, что. с целью повышения мощности и устойчивости генерации сигнала гармоники, дифракционная решетка выполнена в виде параллельных металлических лент, расположенных на поверхности диэлектрического слоя, на противолежащей поверхности которого установлена металлическая подложка, а полупроводниковый диод включен между соответствующей металлической лентой и металлической подложкой, ось открытого резонатора сигнала гармоники расположена под углом рп к оси открытого резонатора основного сигнала, которая перпендикулярна поверхности дифракционной решетки, а размеры элементов дифракционной решетки удовлетворяют соотношениям sin ph ±A/2nl;

h - {(4nҐ e/A2 -1) 1/2-0,4}l, ,0,3I, К A

где I - период дифракционной решетки;

А- длина волны основного сигнала;

п - номер гармоники;

h - толщина диэлектрического слоя;

d - расстояние между металлическими лентами;

Е - относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического слоя.

2. Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что между металлической подлож3

кой и каждой металлической лентой включены полупроводниковые диоды.

3.Генератор по пп. 1 и 2, отличающий с я тем, что сферический отражатель резонатора сигнала гармоники установлен с возможностью изменения угла в пределах 0,05 рп ,

4.Генератор по пп. 1-3, отличаю щ и и с я тем, что вывод энергии выполнен в виде отрезка квазиоптической линии передачи с фокусирующей линзой, причем ось квазиоптической линии расположена под углом к оси резонатора основного сигнала в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки.

I

Использование: при разработке радиоаппаратуры различного назначения е корот- коволновой части СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: устройство содержит открытые резонаторы основного сигнала и сигнала гармоники, каждый из которых образован соответствующим сферическим отражателем и дифракционной решеткой, выполненной в виде параллельных металлических лент на диэлектрическом слое с металлической подложкой. Полупроводниковые диоды включены между каждой из металлических лент и металлической подложкой. Приведены соотношения, определяющие выбор размеров элементов дифракционной решетки. Оси открытых резонаторов расположены в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки, с пересечением в ее центре. При этом ось открытого резонатора сигнала гармоники расположена под углом к оси открытого резонатора основного сигнала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. ЛИРЈ

в

4

Фиг. i

Hi Ui«

Фиг. 2