Генератор Советский патент 1992 года по МПК H03B7/14 

Изобретение относится к области СВЧ радиотехники и может быть использовано в аппаратуре различного назначения, в том числе в высокостабильных СВЧ генераторах со схемой1 ФАПЧ для передачи цифровой информации по радиорелейным и спутниковым линиям связи.

Известен перестраиваемый генератор, содержащий генераторный и варакторный диоды, размещенные в виде единого блока внутри резонатора Механическая перестройка частоты генератора производится с помощью подвижной металлической втулки, надетой на стержень для подачи напряжения к варакторному диоду

Недостатки известных резонаторов - низкая температурная стабильность частоты и значительный уровень фазовых шумов - обусловлены невысокой добротностью используемых резонаторов, которая еще более снижается из-за сильной связи с взрак- тором

В современной аппаратуре связи, где необходимо обеспечить высокую стабильность частоты и низкие фазовые шумы, используют СВЧ генераторы, стабилизированные высокодобротными цилиндрическими объемными резонаторами с рабочие колебанием Нои. Собственная добротность таких резонаторов в 3 см диапазоне составляет около 15000-20000.

Известен СВЧ перестраиваемый генератор, содержащий генераторный диод внутри прямоугольного волновод а и цилиндрический объемный резонатор Нои, связанный с волноводом двумя отверстиями в торцевой стенке. Кроме того, в состав генератора входит варакторный диод, установленный в отдельном волноводном объеме, связанном с резонатором отверстием в ци| LjBKl-Л

ч

00

.

tf ifr

V

«Ж

ю

линдрической стенке. При изменении напряжения смещения на варакторе происходит небольшая электрическая перестройка частоты генератора, которая используется для созда нйя частотной модуляции в канале служебной связи РРС, в состав которой входит данный СВЧ генератор.

Данное устройство наиболее близко к заявляемому по технической сущности и выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является узко- полосность, которая проявляется в том, что при изменений основного цилиндрического резонатора механическим путем надо тщательно перенастраивать и волно- водный объем, в котором установлен варак- тор. Перенастройка затрудняетбя тем, что необходимо предпринимать меры для подавления паразитных колебаний внутри цилиндрического резонатора и особенно опасного из них колебания Ещ, имеющего одинаковую критическую частоту с рабочим колебанием Нои. Таким образом, прототип имеет электрическую перестройку только вблизи одной частоты, на которую он предварительно настроен. Другими словами, электрическая перестройка не обеспечена в широком интервале механической перестройки частоты

Целью изобретения является обеспечение электрической перестройки частоты в широком диапазоне механической перестройки при выравнивании выходной мощности генератора.

Поставленная цель достигается тем, что в перестраиваемый СВЧ генератор, содержащий объемный цилиндрический резонатор с рабочим колебанием Нои с подвижной и неподвижной торцевыми стенками, связанный через отверстие связи с активным полупроводниковым прибором, и первый варактор, согласно изобретению введены второй варактор и две идентичные петли связи, при этом оба варактора размещены на неподвижной торцевой стенке резонато- раТ т верстие связи выполнено в цилиндрической стенке резонатора на расстоянии Х0 от неподвижной торцевой стенки, определяемом из соотношения:

sin

(лГХо)

где И ,и 2 - длина резонатора на нижней и верхней частотах диапазона механической перестройки;

QI и Q2 - внешняя нагруженная добротность резонатора на нижней и верхней частотах, определенная при условии размещения отверстия связи посредине

5 между торцевыми стенками резонатора на той и другой частотах, петли связи расположены на расстоянии 0,48 R (R - радиус резонатора) от продольной осевой линии резонатора, осесиммет0 рично и на одинаковом расстоянии от отверстия связи и ориентированы по направлению круговой линии, при этом начало каждой петли электрически соединено с неподвижной торцевой стенкой, а к концу каж5 дои петли подсоединен соответствующий варактор.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение содержит новые элементы и

0 взаимосвязи и, таким образом, соответствует критерию новизна.

При изучении других технических решений, известных в данной области техники, признаки, отличающие заявляемое реше5 ние от прототипа, не выявлены, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию существенные отличия

На фиг, 1 показан перестраиваемый

0 СВЧ генератор, разрез по диаметральной плоскости резонатора; на фиг. 2 - разрез по сечению А-А, вид на неподвижную торцевую стенку резонатора с двумя петлями связи; на фиг. 3 - неподвижная торцевая стенка

5 резонатора (изометрия) в масштабе увеличения; на фиг. 4 - отдельная петля связи с варактором внутри резонатора, (вариант 1); на фиг. 5 - отдельная петля связи с варактором на микрополосковой плате снаружи ре0 зонатора (вариант 2).

Перестраиваемый СВЧ генератор содержит объемный цилиндрический резонатор 1 с неподвижной торцевой стенкой 2 и подвижной торцевой стенкой (плунжером)

5 3. Активный полупроводниковый прибор 4, например, диод Ганна, установлен в волноводе 5, связанном с резонатором 1 отверстием связи 6, На неподвижной торцевой стенке 2 размещены варакторы 7 и 8, под0 ключенные соответственно к петлям связи 9 и 10, Начало каждой петли связи соединено с поверхностью торцевой стенки 2 через конденсаторы 11 и 12 Напряжение смещения подается на варактор 7 через провод 13.

5 Устройство работает следующим образом.

При движении плунжера 3 изменяется объем резонатора 1 и происходит механическая перестройка частоты генерации. Электрическая перестройка частота осуществляется посредством двух вэрзкторов 7 и 8, связанных с резонатором 1 петлями 9 и 10. Расположение этих петель связи выбрано так, что осуществляются две функции:

1.Связь варакторов 7, 8 с рабочим коле- банием Нои резонатора по магнитному полю.

2.Разнос частот рабочего Нои и паразитного Ещ колебаний,

Первая функция обеспечивается ориен- тацией петель в резонаторе по направлению круговой линии, при этом петли взаимодействуют с магнитным полем колебания Нои.

Второе требует пояснения, Паразитное колебание Ещ возникает в резонаторе главным образом из-за неоднородности отверстия связи 6. Электрическое поле в рас- крыве отверстия б слабо возбуждает колебание Ещ, картина полей которого имеет две пучности электрического поля Е по азимуту (4). Эти пучности расположены вблизи торцевых стенок резонатора осесим- метрично на расстоянии 0,48 R от оси (R - радиус цилиндрического резонатора) на одинаковом расстоянии от отверстия связи 6, Именно поэтому в устройстве исполь- зованы две петли связи 9, 10 расположенные в местах этих пучностей. При таком расположении петли дают сдвиг резонансных частот колебаний Нои и Ещ, противоположный по знаку:

-частота колебания Нои сдвигается вверх (см. аналогичную задачу в (5);

-частота колебания Ещ сдвигается вниз, так как проводящие петли находятся

в пучностях электрического поля этого колебания. Значительный разнос частот уменьшает практически до нуля коэффициент связи между колебаниями Нои и Ещ и, та- ким образом, устраняет действие паразитного колебания Ещ на работу генератора. Тем не менее этого недостаточно для обеспечения устойчивой электрической перестройки частоты в широком диапазоне механической перестройки. Неустойчивость связана с изменением связи резонатора 1 с активным прибором 4 при движении плунжера 3 на фоне снижения собственной добротности резонатора из-за варакторов.

Работа генератора и постоянство выходной мощности зависит от параметра связи QBH/QO , который характеризует вещественную часть проводимости резонатора, приведенную к активному прибору. Здесь: QBH - внешняя нагруженная добротность резонатора при нагрузке через отверстие связи б,

Qo - собственная добротность резонатора с учетом снижающего действия варакторов.

Чем меньше величина Овн/Оо . тем надежнее работает генератор.

Отдельно взятый цилиндрический резонатор Нои в диапазоне 11 ГГц имеет собственную добротность около 15000, а современный варактор (например, АА 623 А-6) не более 270. При относительно слабой связи варактор снижает результирующую собственную добротность в меньшей степени, но все же nprtriluioce электрической перестройки 10 МГц (чтобы перекрыть с запасом температурный уход частоты при стабилизации ее петлей ФАПЧ) варактор снижает результирующую собственную добротность резонатора Q0 примерно вдвое.

На этом фоне неблагоприятно сказывается изменение внешней нагруженной добротности резонатора QBH в процессе механической перестройки частоты. Формула для расчёта 0Вн приведена в 6. Из-за сильной частотной зависимости прохождения электромагнитной энергии через отверстие (коэффициент М в формуле (2)) величина QBH. меняется от 1500 до 800 в диапазоне механической перестройки частоты от 10,7 до 11,7 ГГц, если, как обычно, отверстие связи 6 расположено посредине между торцевыми стенками резонатора. В итоге в диапазоне частот параметр связи QBH/QO меняется от 0,1 до 0,2, в результате чего происходит снижение выходной мощности на низкочастотном краю диапазона вплоть до срыва генерации.

Для обеспечения устойчивости электрической перестройки частоты и постоянства выходной мощности генератора отверстие связи 6 смещено & сторону плунжера 3 так, чтобы зависимость движения плунжера

I

sin 2 (Ј)

скомпенсировала изменение

величины QBH. Опираясь на формулу (2) , местоположение Х0 отверстия связи определяется из соотношения:

. /ЛХ0ч

sm -}

sin ()

2

где h и z - длина резонатора на нижней и верхней частотах диапазона механической перестройки;

Qi и Q2 - внешняя нагруженная добротность резонатора на нижней и верхней частотах, определенная при условии

размещения отверстия связи 6 посредине между торцевыми стенками резонатора на той и другой частоте.

При этом на краях диапазона механической перестройки частоты величина внешней нагруженной добротности QBH одинакова, а в середине диапазона отличается от нее незначительно. Следовательно, во всем диапазоне механической перестройки частоты величина параметра связи ОВн/Оо неизменная, что обеспечивает устойчивую электрическую перестройку частоты и постоянство выходной мощности генератора.

Различные конструктивные варианты соединения отдельной петли связи с варак- тором показаны на фиг. 4 и 5.

В одном варианте конструкции, показанном на фиг. 4, начало петли связи 9 электрически соединено с неподвижной торцевой стенкой 2 резонатора через плоский конденсатор 11. Конец петли 9 соединен с варактором 7, установленном на торцевой стенке 2, внутри резонатора. Напряжение смещения на варактор 7 подается по проводу 13. Конденсаторы 11 и 14 и отрезок тонкого провода 15 между ними служат фильтром нижних частот, предотвращающим просачивание СВЧ энергии в цепь смещения.

В другом варианте конструкции, показанном на фиг. 5, начало петли связи 9 непосредственно электрически соединено с неподвижной торцевой стенкой 2 резонатора. Конец петли 9 соединен через отрезок коаксиала 16 с варактором 7, установленном на торцевой стенке 2 на промежуточной микрополосковой плате 17. Микрополоско- вый шлейф 18 служит для электрического замыкания вывода варактора на торцевую стенку 2. На этот же вывод варактора подается напряжение смещения.

В заключение следует отметить, что основные положения изобретения действительны не только для волноводного генератора с диодом Ганна (фиг. 1), но и для других разновидностей генераторов с цилиндрическим резонатором Например, к отверстию связи 6 может примыкать не только волновод 5 с диодом 4 (фиг. 1), но и микрополосковая плата с СВЧ транзистором-. В этом случае связь резонатора с микрополосковой линией осуществляется через переход щель-микрополосковая линия.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое техническое решение обеспечивает электрическую перестройку частоты в широком диапазоне механической перестройки при выравнивании выходной мощности генератора.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

Генератор, содержащий объемный цилиндрический резонатор с рабочим колебанием Нои и радиусом R, первая торцевая стенка которого выполнена подвижной, а

вторая - неподвижной, активный полупроводниковый элемент, связанный через первый элемент связи с объемным цилиндрическим резонатором, и первый варактор, отличающийся тем, что, с

целью обеспечения электрической перестройки частоты в широком диапазоне механической перестройки при выравнивании выходной мощности генератора, введены второй варактор, второй элемент связи,

первая и вторая петли связи, при этом первый и второй варакторы установлены на второй торцевой стенке, второй элемент связи размещен на боковой стенке объемного цилиндрического резонатора на расстоянии

Х0 от второй торцевой стенки,,выбранном из соотношения

sin (gfi sin()

Q

Q2

где 11 и 2 - длины объемного цилиндрического резонатора на нижней и верхней частотах

диапазона механической перестройки,

QI и Q2 - внешние нагруженные добротности объемного цилиндрического резонатора на нижней и верхней частотах, а первая и вторая петли связи расположены на рас

стоянии 0,48 R от продольной оси объемного цилиндрического резонатора осесимметрично относительно второго элемента связи и соединены одними концами с второй торцевой стенкой, а другими - с

первым и вторым варакторами соответственно.

Ј

Использование изобретение относится к СВЧ радиотехнике и может быть использовано в качестве перестраиваемого генератора в аппаратуре различного назначения. Сущность изобретения: в генератор, содержащий объемный цилиндрический резонатор Нои с подвижной первой торцевой стенкой, в который с помощью первого эле- , мента Увязи, включен активный полупроводниковый элемент, и первой варактор, введены второй элемент связи, второй варактор и первая и вторая петли связи. При этом первый и второй варактор ы установлены на второй торцевой стенке, второй элемент связи установлен на боковой стенке резонатора, а первая й вторая петли связи являются обеспечивающими связь первого и второго варакторов с резонатором соответственно. 5 ил

// z/ ot

/ ™Ф

v2181811

Ь

а да г

5 //

Фиг.