Патент на изобретение №2183045

(54) ГЕНЕРАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике, конкретно к диодным генераторам миллиметрового диапазона длин волн. Техническим результатом является упрощение настройки за счет обеспечения широких пределов согласования импедансов диода и волновода, унификация конструкции при генерации гармоник, уменьшение нестабильности частоты за счет повышения добротности резонансной цепи, а также расширение возможностей управления диапазоном перестройки частоты. Генератор содержит установленную в волновод структуру в виде двух отдельных изолированных планарных элементов. Элемент, связанный с генераторным диодом, выполнен в виде Г-образного двуплечего проводника. Первое плечо, шириной менее половины высоты волновода, ориентировано параллельно оси волновода и соединено концом с генераторным диодом. Второе плечо проведено ортогонально в прорезь широкой стенки волновода. Элемент, связанный с варикапом, выполнен в виде П-образного проводника, в разрыв которого включен варикап. П-образный проводник частично перекрывает второе плечо Г-образного проводника. Для дополнительного расширения диапазона перестройки частоты генератора варикап выполнен в виде микросборки из четного числа диодов, соединенных встречно-последовательно по высокой частоте и параллельно по постоянному току. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, конкретно к диодным генераторам миллиметрового диапазона длин волн.

Известен ряд конструкций диодных генераторов миллиметрового диапазона [1, 2] . Они подразделяются на две разновидности: с объемными резонансными структурами и с планарными резонансными структурами.

Основой конструкции волноводного генератора с объемной резонансной структурой является отрезок волновода с внедренными в него механическими узлами крепления диода и подвода смещения к нему, включая заграждающий фильтр. Пример конструкции генератора с объемной структурой приведен в [1], рис. 3.4б.

Такие конструкции сложны в изготовлении и механически неустойчивы при работе в широком диапазоне температур, поскольку при расширении разнородных материалов неизбежно их взаимное проскальзывание, сопровождаемое скачками частоты.

Основой конструкции волноводного генератора с планарной структурой является планарная проводящая структура, размещенная в волноводе перпендикулярно его широкой стенке. Примеры генераторов с планарной структурой приведены в [2] , рис.3в, рис.7. Как правило, волновод выполняют разрезанным симметрично по широкой стенке и планарную структуру зажимают между двумя половинами. Выполнение планарной структуры менее трудоемко, поскольку допускает применение штамповки или литографии. Кроме того, в силу меньших размеров, ограниченных высотой волновода, и плотной фиксации между половинами волновода, планарная структура меньше подвержена температурным деформациям. По этим причинам планарные конструкции предпочтительнее объемных.

В связи с возрастающими требованиями к стабильности и/или точности установки частоты генераторов они по необходимости снабжаются средствами перестройки частоты. Основным средством перестройки является варикап, включенный в резонансную цепь генератора. Примеры объемных конструкций генераторов с варикапами приведены в [2], рис.9б, 10а.

Среди близких аналогов предлагаемому техническому решению могут быть указаны:
1. Генератор [2] , рис.3в, содержащий резонансную систему в виде пластины, перпендикулярной широкой стенке волновода.

2. Генератор [3], содержащий установленную в симметрично разрезанный по широкой стенке волновод планарную структуру с включенными в нее генераторным диодом и варикапом.

Заявители считают последнее техническое решение наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и предлагают его в качестве прототипа.

Недостатками прототипа являются:
а) сложность настройки, обусловленная необходимостью коррекции геометрических размеров из-за разброса индивидуальных параметров диодов,
б) сложность адаптации схемы для генерации гармоник, обусловленная необходимостью независимых подстроек на основной частоте и на гармонике,
в) нестабильность частоты, обусловленная низкой добротностью резонансной цепи,
г) ограниченные возможности управления диапазоном перестройки частоты, что обусловлено топологической привязкой места монтажа варикапа в конкретной планарной структуре.

Кроме того, возможности управления частотой в известном генераторе ограничены диапазоном допустимых напряжений на варикапе. С одной стороны ограничение обусловлено областью прямых токов через варикап, с другой стороны – конечной величиной пробивного напряжения. Чем больше генерируемая мощность и соответственно амплитуда колебаний на варикапе, тем меньший диапазон значений постоянного напряжения доступен для управления частотой.

Аналоги, обладающие признаками, обеспечивающими преодоление указанных недостатков, заявителям неизвестны.

Задачами предлагаемого изобретения являются: упрощение настройки за счет обеспечения широких пределов согласования импедансов диода и волновода, унификация конструкции при генерации гармоник, уменьшение нестабильности частоты за счет повышения добротности резонансной цепи, а также расширение возможностей управления диапазоном перестройки частоты.

В соответствии с поставленной задачей в известном генераторе, содержащем установленную в симметрично разрезанный по широкой стенке волновод планарную структуру с включенными в нее генераторным диодом и варикапом, указанная структура выполнена в виде двух отдельных планарных элементов, разделенных изолирующим слоем, планарный элемент, связанный с генераторным диодом, выполнен в виде Г-образного проводника, первое плечо Г-образного проводника, шириной менее половины высоты волновода, ориентировано параллельно оси волновода и соединено концом с генераторным диодом, второе плечо проведено ортогонально в продольную прорезь, выполненную в середине широкой стенки волновода, отделено от нее изолирующими слоями и соединено с источником питания диода, планарный элемент, связанный с варикапом, выполнен в виде снабженного изолирующим слоем П-образного проводника, в разрыв которого включен варикап, при этом расстояние от края первого плеча Г-образного проводника до широкой стенки волновода выбирают в пределах 0,2-0,3 мм, ширину второго плеча выбирают в пределах 0,2-0,4 длины волны в волноводе, а место установки П-образного проводника выбирают так, чтобы он по крайней мере частично перекрывал второе плечо Г-образного проводника. Для дополнительного расширения диапазона перестройки частоты генератора варикап выполнен в виде микросборки из четного числа диодов, расположенных на изолирующей подложке и соединенных встречно-последовательно, аноды диодов соединены индуктивными проводниками с отрицательным полюсом источника постоянного смещения, а катоды – аналогичными проводниками с положительным полюсом того же источника.

На фиг.1 представлен генератор; на фиг.2 – вариант размещения генераторного диода в торцевом короткозамыкателе; на фиг.3 – пример схемы соединения варикапов; на фиг.4 – пример топологии диодной микросборки.

Связь заявляемых признаков с возможностью осуществления задач изобретения обусловлена следующим.

1. Выполнение планарного элемента, связанного с генераторным диодом, в виде Г-образного проводника с указанным выше расположением плеч обеспечивает создание высокодобротного резонатора, включающего реберную линию, которая образована зазором между краем первого плеча Г-образного проводника, и широкой стенкой волновода, и шунтирующей перемычкой, которая образована вторым плечом вместе с емкостью изолирующих слоев. Длина линии от диода до шунтирующей перемычки определяет частоту резонанса и соответственно частоту генерации, изменение длины обеспечивает адаптацию к индивидуальным реактивным параметрам диода. Реактивность перемычки служит элементом связи резонансного контура с волноводом. Ввиду распределенного характера реактивной связи ширина перемычки может характеризоваться произвольными значениями коэффициента трансформации, что обеспечивает адаптацию резонансной структуры к индивидуальным активным параметрам диода. Высокая добротность, реализуемая в заявляемой планарной структуре, снижает степень зависимости частоты генерации от изменения параметров диода при воздействии дестабилизирущих факторов. Экспериментально установлено, что температурный коэффициент частоты генерации в заявляемой конструкции приближается к величине, определяемой коэффициентом линейного расширения материала волновода.

2. Наряду с адаптацией к индивидуальным параметрам диода на основной частоте Г-образный планарный элемент одновременно обеспечивает резонансы на гармониках, поскольку в реберной линии распространяется квази-ТЕМ волна, имеющая слабую дисперсию. Полуволновая резонансная мода в линии на первой гармонике сочетается с второй модой по второй гармонике и т.д. Генератор гармоники реализуется путем помещения той же самой структуры в волновод, запредельный для основной частоты. Эффективность генерации гармоники обеспечивается большим размахом напряжения и тока в генераторе, зашунтированнном на основной частоте.

3. Выполнение планарного элемента, связанного с варикапом, в виде П-образного проводника с указанным выше расположением обеспечивает произвольный выбор степени включения варикапа в резонансную цепь генератора. Включение минимально при размещении структуры с варикапом в области ближнего к генераторному диоду края второго плеча Г-образного проводника и максимально при размещении в области дальнего от генераторного диода края. Этим достигается расширение возможности управления диапазоном перестройки частоты.

4. Выбор размеров зазора реберной линии и ширины перемычки в заявленных пределах определены экспериментально по критериям достижения максимальной мощности и стабильности частоты генерации.

5. Выполнение варикапа в виде диодной сборки с указанной коммутацией индуктивных проводников обеспечивает соединение диодов последовательно по высокой частоте и параллельно по управляющему напряжению, что позволяет малыми напряжениями смешения управлять высокочастотными сигналами большой амплитуды.

Изобретение поясняется графическими иллюстрациями фиг.1-3.

На фиг. 1 схематически приведена конструкция генератора, состоящего из симметрично разрезанного по широкой стенке волновода 1, в котором установлены планарные элементы, связанные с генерирующим диодом 2 и варикапом 3.

Планарный элемент генератора имеет вид Г-образного проводника, первое плечо 4 которого, шириной менее половины высоты волновода, ориентировано параллельно оси волновода 1 и соединено концом с генераторным диодом 2, а второе плечо 5 проведено ортогонально в продольную прорезь 6, выполненную в середине широкой стенки волновода 1. Расстояние между кромкой первого плеча Г-образного проводника и широкой стенкой волновода выбрано в пределах 0,2-0,3 мм. Ширина второго плеча выбрана в пределах 0,2-0,4 длины волны в волноводе. Генераторный диод может быть установлен на широкой стенке волновода 1, как показано на фиг.1, или на торцевом короткозамыкателе 9, как показано на фиг.2.

Планарный элемент, связанный с варикапом, выполнен в виде П-образного проводника 7, в разрыв которого включен варикап 3. Место установки П-образного проводника выбрано так, что он частично перекрывает второе плечо 5 Г-образного проводника. Одно из плеч П-образного проводника целесообразно соединять со стенкой волновода 1.

Планарные элементы в области перекрытия друг с другом и с областью прорези 6 в стенке волновода снабжены изолирующими слоями 8.

На фиг. 3 приведен пример схемы соединения варикапов в сборке. Диоды 10 соединены встречно-последовательно (катод к катоду, анод к аноду). Индуктивные проводники 11 служат для подсоединения катодов и анодов к положительному и отрицательному полюсам источника постоянного смещения. Емкость 12 служит для гальванической развязки между цепями смещения и высокой частоты.

На фиг. 4 приведен пример выполнения топологии диодной микросборки. На подложке из арсенида галлия с изолирующей пленкой двуокиси кремния сформированы диоды с барьером Шотки (БШ), опорные конденсаторы (ОК) и индуктивные перемычки.

Экспериментальные результаты
При испытаниях образцов генераторов, выполненных в соответствии с заявляемым техническим решением, получены следующие результаты:
1. Средняя частота генерации – 37,2 ГГц.

2. Мощность – 120 мВт.

3. Диапазон электронной перестройки – от 200 до 2000 МГц в зависимости от положения планарной структуры с варикапом.

4. Температурный коэффициент частоты – 210^-5 град^-1.

При замене волновода на запредельный без изменения размеров планарного Г-образного проводника конструкция работает как генератор гармоники.

Результаты испытаний подтверждают наличие заявленного положительного эффекта. Кроме того, заявляемая конструкция генератора обладает преимуществами высокой технологичности и миниатюрности.

Источники информации
1. Царапкин Д. П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. – М.: Радио и связь, 1982. – 182 с.

2. Тарасенко В.П., Коцержинский Б.А., Мачусский Е.А. Твердотельные генераторы СВЧ колебаний миллиметрового диапазона радиоволн/Известия вузов СССР – Радиоэлектроника, 1978, т. 21, 10, с. 4-23.

3. А. с. 1256129 СССР, МКИ Н 03 В 7/14. Генератор СВЧ/ Ю.И. Кошуринов. Опубл. 07.09.86, БИ 33 – прототип.

Формула изобретения

1. Генератор, содержащий установленную в симметрично разрезанный по широкой стенке волновод планарную структуру с включенными в нее генераторным диодом и варикапом, отличающийся тем, что в нем указанная структура выполнена в виде двух отдельных планарных элементов, разделенных изолирующим слоем, планарный элемент, связанный с генераторным диодом, выполнен в виде Г-образного проводника, первое плечо Г-образного проводника, шириной менее половины высоты волновода, ориентировано параллельно оси волновода и соединено концом с генераторным диодом, второе плечо проведено ортогонально в продольную прорезь, выполненную в середине широкой стенки волновода, отделено от нее изолирующими слоями и соединено с источником питания диода, планарный элемент, связанный с варикапом, выполнен в виде снабженного изолирующим слоем П-образного проводника, в разрыв которого включен варикап, при этом расстояние от края первого плеча Г-образного проводника до широкой стенки волновода выбирают в пределах 0,2-0,3 мм, ширину второго плеча выбирают в пределах 0,2-0,4 длины волны в волноводе, а место установки П-образного проводника выбирают так, чтобы он по крайней мере частично перекрывал второе плечо Г-образного проводника.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что в нем варикап выполнен в виде микросборки из четного числа диодов, расположенных на изолирующей подложке и соединенных встречно-последовательно, аноды диодов соединены индуктивными проводниками с отрицательным полюсом источника постоянного смещения, а катоды – аналогичными проводниками с положительным полюсом того же источника.

РИСУНКИ