Свч-генератор

 

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

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 03 В 7/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4926385/09 (22) 08.04.91 (46) 15.11.92, Бюл. N 42 (72) С.В.Мирный, В.Н.Почерняев и

Л.В.Скрыпник (56) Коган Н.Л., Машковцев Б.M„Цибизов

К.Н. Сложные волноводные системы. — Л.:

Судпромгиз, 1963, с. 115.

Давыдова Н.С., Данюшевский 10.3. Диодные генераторы и усилители СВЧ. — М.;

Радио и связь, 1986, с. 115. (54) СВЧ вЂ” ГЕНЕРАТОР . (57) 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 согласоИзобретение 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 Ж«, 1775838 А1 ванная 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 А /4 от настроечного диэлектрического винта. Электроды соединены с управляющими проводниками через четвертьволнавые коаксиальные трансформаторы. 2 ил.

СВЧ-генераторов может производиться как при кратковременном, так и при длительном воздействии дестабилизирующих факторов. 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 10 4) применяются дополнительные способы, такие как термостабирование, термокомпенсация, различные системы автоподстрой ки частоты.

1775838

Наиболее близким техническим решением является коаксиально-волноводный

СВЧ- енеоатор, который содержит полупроводниковый диод СЦЧ и кароткозамкнутом конце коаксиальной линии, другой конец линии нагружен на СН или может содержать ФНЧ, через который подводится напряжение питания на полупроводниковый д«од. В отрезок пря моуг ол ьно го волновода, заканчивающийся индуктивной диафрагмой, введен диэлектрический винт.

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 стабилизирова. ы и их подстройка осуществляется диэлектрическим винтом, который воздействует на колебания СВЧ-генератора через изменение резонансной частоты указанного обьемного 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 волноводного отрезка и связь с нагрузкой, параметров диэлектрического винта, позволяющих влиять на резонансную частоту, входное сопротивление, коэффициент отражения or диафрагмы, можно добиться длительной нестабильности частоты порядка 410 {у рассмотренных выше аналогов длительная нестабильность частоты " 10 ), -4

Более высокую стабильность частоты, очевидно такой конструкции, достичь невозмо>кно, поскольку, подбирая геометрические параметры перечисленных элементов, не удается в рамках такой конструкции одновременно улучшить все необходимые . электрические параметры электромагнитной системы.

Современные системы связи, функционирующие в неблагоприятных условиях, в том числе, в условиях космического пространства, требуют повышенной стабильности частоты СВЧ вЂ” генераторов. Такие же высокие требования к стабильности СВЧ— генераторов представляют. системы связи, радиолокации и радионавигации в диапазоне миллиметровых волн, Существенным недостатком прототипа является невозможностьулучшения стабильности частоты при сохранении остальных основных характеристик, Целью изобретения является повышение стабильности частоты колебаний СВЧ5

10 на которые подается через четвертьволно20 вые трансформаторы. Электроды изолированы от боковой поверхности волновода

55 генераторов, или другими словами, формирование высокостабильных колебаний

СВЧ- генераторов, обладающих длительной нестабильностью <10 .

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 il /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 диэлектриком. Устройств, подобных заявляемому по совокупности отличительных от прототипа признаков, выявлено не было, поэтому заявляемый обьект соответствуеткритерию "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, представля ощая электроды для управления диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрика, 8 — четвертьволновые трансформаторы. На фиг, 1б 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 — Бд и Хд — отрицательное активное и реактивное сопротивление диода; В1, Bz, Вз, В4 реактивные проводимости местных полей, возникающих со стороны стыка коаксиального и частично заполненного волноводов, и со стороны стыка частично заполненного и полого волноводов; п, п, n, и — соответствующие коэффициенты трансформации указанных плоско-поперечных стыков волноводов; Ха, Хь- реактивные сопротивления Т-образной схемы замещения диэлектрического стержня; Вд — проводимость индуктивной диафрагмы; Ун проводимость нагрузки; отрезок линии передачи длиной d — сторона прямоугольного

ДР вдоль оси распространения электромаг1775838 нитных 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, выра>кенные 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, Эквивалентные схемы замещения с трансформаторами согласно теории волноводов могут быть сведены к параллельным проводимостям, что показано на фиг. 2 в виде проводимостей В и Вц. 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 СВ 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 Х /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 коаксиальные четвертьволновые трансформаторы, что позволяет управлять диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрика, а стало быть и реактивной проводимостью индуктивной диафрагмы.

Сочетание двух "подвижных" элементов связи источника с нагрузкой, а именно диэлектрического винта и регулируемой индук5

55 тивной диафрагмы, причем расположенных на расстояниях, равных Л /4 друг от друга, и на таком же расстоянии располагается диэлектрический винт от прямоугольного

ДР, позволяет устранить ряд недостатков, присущих стабилизированным генераторам: — перескоки частоты генерации, вызванные подстройкой частоты колебаний с помощью одного диэлектрического винта ввиду "густого" спектра собственных колебаний прямоугольного ДР (следует заметить, что по сравнению с цилиндрическим

ДР, прямоугольный имеет менее "густой" спектр); — нелинейность подстройки частоты, т.к. в этом случае большая линейность будет достигаться взаимной компенсацией нелинейностей, вызываемых подстройкой (по раздельности) диэлектрическим винтом и индуктивной диафрагмой с сегнетоэлектрической пленкой; — узость диапазона подстройки, поскольку теперь диапазон не будет жестко ограничен резким возрастанием нелинейности подстройки, а ввиду возможности более линейной подстройки также будет незначительно расширен; — сложность теплоотвода, т.к. кроме ДР, обладающего высоким температурным коэффициентом линейного расширения, s заявляемом устройстве есть еще два диэлектрических элемента, через которые проходит большая часть распространяющейся мощности; — неустойчивость одночастотного режима генерации ввиду воэможности влияния двумя управляющими элементами, каждый из которых имеют свою зависимость диэлектрической проницаемости от изменения температурных условий, частоты генерации и влияния на нее изменений питающих напряжений.

Кроме перечисленного, заявляемое устройство не требует дополнительно коаксиального волновода для вывода электромагнитной энергии, поскольку отрезок прямоугольного волновода регулярный с одноволновым режимам работы, а не запредельный, и не надо подстраивать частоту путем передвижения ДР в отрезке волновода, т.к. такая подстройка осуществляется двумя управляющими элементами.

Особенно важным является расположение прямоугольного ДР таким образом, что его одна грань совпадает с плоскостью сты- . ка коаксиального и прямоугольного волноводов. Во всех известных схемных решениях ДР "отстоял" от плоскости стыка двух вол новодов (имеются в виду коаксиаль1775838 но-волноводные конструкции) и располагалсА 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 волновадов (отрезок волновода с ДР), Связь входного сигнала с нагрузкой будет осуществляться посредством образовавшегося волноводного участка, что может быть показано на фиг.

2, если между сечениями А — А и  — В вклюI чить отрезок волновода длиной1с проводимостью стыка Вш. 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 вЂ” генератора устраняет один волноводный плоско-поперечный стык. Это также повышает устойчивость одночастотного 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 зто 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 "разряженности" спектра, во-вторых, ДР выбран прямоугольной формы. Учитывая наличие двух управляющих элементов на ДР не накладываются ограничения, способствующие дополнительному устранению его параэитных (высших типов) колебаний, поэтому отношение его толщины к высоте может быть то, которое наиболее часто используется на практике, Уменьшение ЧМ-шумов способствует, кроме укаэанного, и тот факт, что диэлектрический винт, расположенный на расстояниях il /4 от ДР и от индуктивной

30

40 схемы прототипа, где под Q«> будем понимать нагруженную добротность электромагнитной системы схемы прототипа. Для представления нагруженной добротности воспользуемся известным соотношением

45 в. аь

2 go био

55

15 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 часто-, ты 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 К т в виде:

Кст = О«тИн, (1) где 0«т — нагруженная добротность электромагнитной системы, определяемая эквивалентной схемой фиг. 2;

0 — нагруженная добротность контура генератора.

Вначале по формуле (1) определим Кст где b суммарная нормированная проводимость, получаемая путем пересчета всех проводимостей ко входу схемы; go — проводимость потерь на резонансной частоте.

Определим проводимости В и Вц, как

В! 2 В1+ — (Щ 2 В2 (2a)

1 1

fn (n+) Вц= z Вз+ В4, (2б)

1 1

2 (и 2

1775838

5

55 где

hl

043 . п с 5 ) s опь 4ць ) я, — собственные векторные поперечные электрические функции основной волны коаксиального (T), 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 go 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 — В и  — В в случае перемещения ДР "в глубь" отрезка прямоугольного волновода), а активная часть проводимости стыка будет увеличиваться.

Используя известное выражение для входной нормированной проводимости вх = (%» + ) щ Р 1)/(1 + ) Y)» 19 P 1) где Y » — нормированная проводимость пересчитываемой нагрузки; P — 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 Д изменяя в») можно получать необходимые высокие значения I дЬ /d в I на резонансной частоте аЪ, превышающие в 2...10 раз соответствующее значение для системы прототипа.

Величина Q«T для электромагнитной системы заявляемого устройства возрастает не только за счет увеличения I бЬ /d Nl, но и уменьшения ц») по сравнению с такой же добротностью электромагнитных систем аналогов и прототипа. Расчеты по формуле (1) показывают, что отношение К > заявляемого устройства к Кст прототипа составляет

10...15 раз . Поэтому заявляемый обьект будет иметь д f = 5...7,5 10, т.е. является высокостабильным.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что одновременное уменьшение проводимости go и увеличение величины db /d а позволяют реализовать

Q«T заявляемого устройства почти на порядок больше, чем Q«r 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 проектированйя 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, о тл и ч а-ю щи и с я 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 il/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, при этом площадь сегнетоэлектрической пленки равна площади поперечного сечения прямоугольного

1775838

12 индуктивной диафрагмы, где А- длина волH bl. волновода, а площадь каждого электрода равна площади соответствующей стенки щ -л / х х, 4П г

fé - и l х„-л/4

x„

Y„

I г <

IÀ в

1 ! . I

a" Ь

Y„„

Pub. 2

Составитель С.Мирный

Техред M.ÌîðãåíòàIt Корректор В.Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4040 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитента по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5