СВЧ-генератор Советский патент 1992 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи.

Известны СВЧ полупроводниковые генераторы, стабилизация частоты которых осуществляется высокодобротным диэлектрическим резонатором (ДР) или высокодобротными металлическими резонаторами. Стабильность частоты СВЧ генераторов существенно зависит от воздействия дестабилизирующих факторов, таких как изменение питающих напряжений, изменение окружающей температуры, механические и другие воздействия, Оценка стабильности частоты

СВЧ-генераторов может производиться как при кратковременном, так и при длительном воздействии дестабилизирующих фак- торов. Использование миниатюрных термостабильных высокодобротных ДР в СВЧ полупроводниковых генераторах позволило упростить конструкцию, снизить тепловые нагрузки на активные элементы генераторов, удешевить изготовление. Однако для формирования высокостабильных колебаний (длительная нестабильность частоты более ) применяются дополнительные способы, такие как термостабирование, термокомпенсация, различные системы автоподстройки частоты.

ч VI ел

00

со со

Наиболее близким техническим решением теряется ког ксиалыш-волноводный СВЧ снеоотор, кшорый содержит полу- проводниконри диод СВЧ о корогкозамкну- том конце коаксизль..он линии, другой конец линии нагружен на СИ или может содержать ФНЧ, через который подводится напряжение питания на полупроводниковый диод. В отрезок прямоугольного волновода, заканчивающийся индуктивной диафрагмой, введен диэлектрический БИНТ. Индуктивная диафрагма устанавливается на таком расстоянии от плоскости стыка коаксиальной линии передачи и прямоугольного волновода, чтобы отрезок прямоугольного волновода представлял объемный резонатор. Таким образом, колебания СВЧ-генератора стабилизиронзны и их подстройка осуществляется диэлектрическим винтом, который воздействует на колебания СВЧ-генератора через изменение резонансной частоты указанного объемного резонатора. При правильном выборе внутреннего и внешнего диаметров коаксиальной линии передачи, определяющих оптимальное волновое сопротивление этой линии передачи, ширины окна индуктивной диафрагмы, определяющей ее реактивную проводимость, а стало быть, длину волно- водного отрезка и связь с нагрузкой, пара- метров диэлектрического винта, позволяющих влия гь на резонансную частоту, входное сопротивление, коэффициент отражения от диафрагмы, можно добиться длительной нестабильности частоты порядка (у рассмотренных выше аналогов длительная нестабильность частоты 10 ). Более высокую стабильность частоты, очевидно такой конструкции, достичь невозможно,4 поскольку,подбирал геометрические параметры перечисленных элементов, не удается в рамках такой конструкции одновременно улучшить все необ- ходимые электрические параметры электромагнитной системы.

Современные системы связи, функционирующие в неблагоприятных условиях, в том числе, в условиях космического пространства, требуют повышенной стабильности частоты СВЧ-генераторов. Такие же высокие требования к стабильности СВЧ- генераторов представляют .системы связи, радиолокации и радионавигации в диапазоне миллиметровых волн. Существенным недостатком прототипа является невозможность улучшения стабильности частоты при сохранении остальных основных характеристик.

Целью изобретения является повышение стабильности частоты колебаний СВЧгенераторов, или другими словами, формирование высокостабильных колебаний СВЧ- генераторов, обладающих длительной нестабильностью-610 .

С этой целью в отрезок прямоугольного

волновода вводится прямоугольный ДР, одна грань которого лежит в плоскости стыка коаксиального и прямоугольного волноводов. Диэлектрический винт располагается

на расстоянии А /4 от другой грани прямоугольного ДР и на расстоянии Я /4 от индуктивной диафрагмы. Индуктивная диафрагма состоит из двух бесконечно тонких пластин, между которыми введена тонкая сегнетоэлектрическая пленка. Внешние по отношению к генератору металлические пластины (со стороны нагрузки) выполняют функции электродов, напряжение питания на которые подается через четвертьволновые трансформаторы. Электроды изолированы от боковой поверхности волновода диэлектриком. Устройств, подобных заявляемому по совокупности отличительных от прототипа признаков, выявлено не было,

поэтому заявляемый объект соответствует критерию существенные отличия.

На фиг. 1а показано предлагаемое устройство, где 1 - полупроводниковый диод СВЧ, 2 -согласованная нагрузка, 3 - прямоугольный ДР, 4 - диэлектрический винт, 5 - внутренняя сторона индуктивной диафрагмы, 6 - сегнетоэлектрическая пленка, 7 - внешняя сторона индуктивной диафрагмы, представляющая электроды для управления диэлектрической проницаемостью сег- нетоэлектрика, 8 - четвертьволновые трансформаторы. На фиг. 16 показан вид индуктивной диафрагмы с торца, где цифрой 6 обозначена сегнетоэлектрическая

пленка, а на фиг. 1в - вид индуктивной диафрагмы сверху, где обозначения 5...8 те же, что и на фиг. 1а, На фиг, 2 показана эквивалентная схема заявляемого устройства, на которой - Рд и Хд - отрицательное активное

и реактивное сопротивление диода; Bi, 62, Вз, В/1- реактивные проводимости местных полей, возникающих со стороны стыка коаксиального и частично заполненного волноводов, и со стороны стыка частично

заполненного и полого волноводов; ггЧ гг3 , iv4 - соответствующие коэффициенты трансформации указанных плоско-поперечных стыков волноводов; Ха, Хь реактивные сопротивления Т-образной схемы замещения диэлектрического стержня; Вд - проводимость индуктивной диафрагмы; YH - проводимость нагрузки; отрезок линии передачи длиной d - сторона прямоугольного ДР вдоль оси распространения электромагнитных волн (протяженность участка частично заполненного волновода); отрезки линии передачи длиной А /4 - расстояние от ДР до диэлектрического винта и от диэлектрического винта до индуктивной диафрагмы. Эквивалентные схемы замещения элементов заявляемого устройства, выраженные в сопротивлениях, могут быть представлены через проводимости, что показано на той Же фигуре. Эквивалентная схема замещения диэлектрического винта оставлена в сопротивлениях, поскольку для такой схемы известны аналитические выражения, связывающие ее электрические характеристики с геометрическими размерами. Экви- валентные схемы замещения с трансформаторами согласно теории волноводов могут быть сведены к параллельным проводимостям, что показано на фиг. 2 в виде проводимостей Bi и Ви. Коэффициенты трансформации учитывают связь нетолько по основной распространяющейся волне, но и по местным полям, возникающим на стыках двух волноводов.

Устройство работает следующим образом.

Напряжение питания на полупроводниковый СВЧ диод может подводиться через коаксиальный ФНЧ. Связь диода с нагрузкой осуществляется через отрезки коаксиального и прямоугольного волноводов. В отрезке прямоугольного волновода расположен прямоугольный ДР, подстроечный диэлектрический винт и индуктивная диафрагма. Прямоугольный ДР, выполняющий две функции - стабилизирующую и трансформирующую, расположен одной гранью в плоскости стыка коаксиального и прямоугольного волноводов, а диэлектрический винт на расстоянии Я /4 от него. На таком же расстоянии от диэлектрического винта расположена индуктивная диафрагма, которая выполнена следующим образом: на металлическую поверхность нанесена тонкая сегнетоэлектрическая пленка, равная площади поперечного сечения волновода, а на ней размещены металлические пластины, равные площади поперечного сечения индуктивной диафрагмы и изолированные от корпуса волновода. На эти пластины подается управляющее напряжение через коаксиальныечетвертьволновыетрансформаторы, что позволяет управлять диэлектрической проницаемостью сегнето- электрика, а стало быть и реактивной проводимостью индуктивной диафрагмы. Сочетание двух подвижных элементов связи источника с нагрузкой, а именно диэлектрического винта и регулируемой индуктивной диафрагмы, причем расположенных на расстояниях, равных А /4 друг от друга, и на таком же расстоянии располагается диэлектрический винт от прямоугольного

5 ДР, позволяет устранить ряд недостатков, присущих стабилизированным генераторам:

-перескокичастоты генерации, вызванные подстройкой частоты колебаний с по0 мощью одного диэлектрического винта ввиду густого спектра собственных колебаний прямоугольного ДР (следует заметить, что по сравнению с цилиндрическим ДР, прямоугольный имеет менее густой

5 спектр);

-нелинейность подстройки частоты, т.к. в этом случае большая линейность будет достигаться взаимной компенсацией нели- нейностей, вызываемых подстройкой (по

0 раздельности) диэлектрическим винтом и индуктивной диафрагмой с сегнетоэлектри- ческой пленкой;

-узость диапазона подстройки, поскольку теперь диапазон не будет жестко

5 ограничен резким возрастанием нелинейности подстройки, а ввиду возможности более линейной подстройки также будет незначительно расширен;

-сложность теплоотвода, т. к. кроме ДР, 0 обладающего высоким температурным коэффициентом линейного расширения, в заявляемом устройстве есть еще два диэлектрических элемента, через которые проходит большая часть распространяю5 щейся мощности;

-неустойчивость одночастотного режима генерации ввиду возможности влияния двумя управляющими элементами, каждый из которых имеют свою зависимость диэ0 лектрической проницаемости от изменения температурных условий, частоты генерации и влияния на нее изменений питающих напряжений.

Кроме перечисленного, заявляемое уст5 ройство не требует дополнительно коакси- ального волновода для вывода электромагнитной энергии, поскольку отрезок прямоугольного волновода регулярный с одноволновым режимом работы, а не за0 предельный, и не надо подстраивать частоту путем передвижения ДР в отрезке волновода, т.к. такая подстройка осуществляется двумя управляющими элементами. Особенно важным является расположе5 ние прямоугольного ДР таким образом, что его одна грань совпадает с плоскостью стыка коаксиального и прямоугольного волноводов. Во всех известных схемных решениях ДР отстоял от плоскости стыка двух волноводов (имеются в виду коаксиально-волноводные конструкции) и располагался дальше в канале волновода, поэтому во взаимодействии источника колебаний и нагрузки принимали участие волноводные типы волн отрезка полого прямоугольного волновода, который образовывался между плоскостью стыка коаксиального и полого прямоугольного волноводов и плоскостью стыка полого прямоугольного и частично заполненного прямоугольных волноводов (отрезок волновода с ДР). Связь входного сигнала с нагрузкой будет осуществляться посредством образовавшегося волноводно- го участка, что может быть показано на фиг. 2, если между сечениями А-А и В-В1 включить отрезок волновода длиной 1с проводимостью стыка Вщ. Как- известно, волноводные волны обладают дисперсией и искажают передаваемое колебание. Согласно строгой электродинамической теории (по которой построена эквивалентная схема заявляемого устройства) особенное влияние на гармонические колебания будут оказывать местные поля, образованные на стыках волноводов. Применение указанного способа построения СВЧ-генератора устраняет один волноводный плоско-поперечный стык. Это также повышает устойчивость од- ночастотного режима генерации. Учет высших типов волн полого прямоугольного волновода на стыке увеличивает коэффициент связи ДР с коаксиальным волноводом, и следовательно уменьшает стабильность частоты. Следует отметить, что уменьшение числа плоско-поперечных стыков несколько снижает частотные шумы, т.к. частично устраняются искажения, вызываемые местными полями волновода (его высшими типами). В строгой электродинамической теории это учитывается коэффициентами трансформации, которые представляют собой интегралы по площади поперечного сечения стыка от собственных векторных, функций волн, образующихся с каждой стороны плоско-поперечного стыка. С целью удовлетворения координатными границами, во-первых, и относительной разряженное™11 спектра, во-вторых, ДР выбран прямоугольной формы. Учитывая наличие двух управляющих элементов на ДР не накладываются ограничения, способствующие дополнительному устранению его паразитных (высших типов) колебаний, поэтому отношение его толщины к высоте может быть то, которое наиболее часто используется на практике.

Уменьшение ЧМ-шумов способствует, кроме указанного, и тот факт, что диэлектрический винт, расположенный на расстояниях Я /4 от ДР и от индуктивной

диафрагмы, может создавать на этом отрезке режим стоячих волн, что естественно повысит добротность всей электромагнитной системы СВЧ-генератора.

Выше приведенное описание частичного устранения различных дестабилизирующих факторов, влияющих на стабильность частоты генерируемых колебаний или частичного улучшения электрических характеристик СВЧ-генератора, вызвано тем фактом, что главная характеристика СВЧ - генераторов - длительная нестабильность частоты, является комплексным параметром, т.к. характеризует стабильность частоты колебаний при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Этот факт нашел отражение в работах ряда авторов последних лет. Неверным является оценка длительной нестабильности частоты при

влиянии одного из дестабилизирующих факторов (не распространяется на случай, когда изменяется один из параметров, а остальные в данных конкретных условиях могут является стабильными, или

относительно неизменными). Поэтому эффект повышения стабильности частоты с помощью предложенной конструкции можно показать за счет увеличения энергии, накапливаемой в электромагнитной системе генератора, что характеризуется ее нагруженной добротностью. Запишем коэффициент стабилизации Кет в виде:

Кет Омет/Он,(1)

где QHCT - нагруженная добротность элект- ромагнитной системы, определяемая эквивалентной схемой фиг. 2;

Он - нагруженная добротность контура генератора.

Вначале по формуле (1) определим КСт схемы прототипа, где под QHCT будем понимать нагруженную добротность электромаг- нитной системы схемы прототипа. Для представления нагруженной добротности воспользуемся известным соотношением

Q

(Оо idbc. 2 go d и)

где Ьг - суммарная нормированная проводимость, получаемая путем пересчета всех проводимостей ко входу схемы; д0 - проводимость потерь на резонансной частоте. Определим проводимости Bi и Вп, как

55

В|

(2а)

1

Вз +

№ 3 t№

В4

(26)

где

n 5ЈoTЈ-;)&d5

iw .ся

LЈ,

ЈOTd5,

,()

L&

5°ОПВ

s,

ЕО - собственные векторные поперечные электрические функции основной волны коаксиального (Т), частично заполненного прямоугольного (ЧЗВ) и полого прямоугольного волновода (ПВ);

е - собственные векторные поперечные электрические функции высших типов волн, определяющих местные поля, возникающие на соответствующем плоско-поперечном стыке; S - площадь поперечного сечения прямоугольного волновода.

Нетрудно показать, что проводимость потерь д0 на резонансной частоте с увеличением числа плоско-поперечных стыков будет возрастать, т.к. соответствующие коэффициенты трансформации будут уменьшаться (и в том числе того контура, который будет образован между сечениями А - В1 и В - В1 в случае перемещения ДР в глубь отрезка прямоугольного волновода), а активная часть проводимости стыка будет увеличиваться.

Используя известное выражение для входной нормированной проводимости

YBx (YH + .jtg /3l)/(1+jYHtg ySl). где YH - нормированная проводимость пересчитываемой нагрузки; /3 I - электрическая длина соответствующего участка эквивалентной схемы замещения, пересчитаем проводимости эквивалентной схемы замещения заявляемого устройства, расположенные справа от стыка коаксиального и прямоугольного волноводов, к сечению этого плоско-поперечного стыка.

Численный анализ полученного выражения показал, что, в пределах 10...15% изменяя , можно получать необходимые высокие значения I dbЈ /d ft I на резонансной частоте со0, превышающие в 2...10 раз соответствующее значение для системы прототипа.

Величина Он ст для электромагнитной системы заявляемого устройства возрастает не только за счет увеличения I dt Ј/dЈy| , но и уменьшения д0 по сравнению с такой же добротностью электромагнитных систем аналогов и прототипа. Расчеты по формуле (1) показывают, что отношение КСт заявляемого устройства к Кет прототипа составляет 10...15 раз . Поэтому заявляемый объект

будет иметь д f 5...7., т.е. является высокостабильным.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что одновременное уменьшение проводимости до и увеличение величины db /d со позволяют реализовать QHCT заявляемого устройства почти на порядок больше, чем QHCT прототипа. Это обусловлено использованием совокупности

свойств, которыми обладает заявляемое устройство ввиду введения указанных в формуле изобретения элементов и их определенным образом размещением, по сравнению с прототипом, что позволяет еще

раз сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию новизна.

Выбор конструктивного выполнения генератора СВЧ, его схемы построения отвечают требованиям современного

проектирования устройств СВЧ по критериям надежности, технологичности, миниатюризации, стоимостных и трудозатрат, воспроизводимости параметров и снижения себестоимости в процессе серийного

производства.

Формула изобретения

СВЧ-генератор, содержащий полупроводниковый генераторный диод и согласованную нагрузку, включенные на противоположных концах отрезка коаксиальной линии, который установлен на одном конце прямоугольного волновода перпендикулярно широким стенкам и связан с ним посредством отверстия в общей стенке, подстроечный диэлектрический винт, расположенный на одной из стенок прямоугольного волновода, на другом конце

которого установлена индуктивная диафрагма, отлича-ющийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты колебаний, в прямоугольном волноводе установлен введенный прямоугольный

диэлектрический резонатор, одна грань которого расположена в плоскости отверстия связи, диэлектрический винт размещен между его другой противоположной гранью и индуктивной диафрагмой на расстояниях,

равных А /4, а на поверхность индуктивной диафрагмы со стороны выхода нанесена сегнетоэлектрическая пленка с электродами, которые изолированы от стенок прямоугольного волновода и соединены с

управляющими проводниками через коаксиальные четвертьволновые трансформаторы,приэтомплощадь сегнетоэлектрической пленки равна площади поперечного сечения прямоугольного

волновода, а площадь каждого электрода индуктивной диафрагмы, где А-длина вол- равна площади соответствующей стенки ны.

Использование: в системах радиорелейной, тропосферной и космической связи. Сущность изобретения: устройство содержит генераторный диод, включенный на одном конце отрезка коаксиальной линии, на другом конце которой установлена согласованная нагрузка. Отрезок коаксиальной линии установлен перпендикулярно широким стенкам прямоугольного волновода, в котором установлен прямоугольный диэлектрический резонатор. Одна грань резонатора совмещена с плоскостью отверстия связи отрезка коаксиальной линии с прямоугольным волноводом, а другая противоположная грань расположена от настроечного диэлектрического винта на расстоянии, равном А /4. Выходная индуктивная диафрагма снабжена сегнетоэлектрической пленкой с электродами и расположена на расстоянии Я /4 от настроечного диэлектрического винта. Электроды соединены с управляющими проводниками через четвертьволновые коаксиальные трансформаторы. 2 ил. сл с

фае. 1

-лА