Свч-генератор

(19 ЗВ 7/ 51) НИЯ У СВИДЕТЕЛЬСТВ АВТОР Почерняев и ибизов . - Л.: 3. Ди - М. релеисвязи. содерна одии, на гласоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ 21) 4926385/09(56) Коган Н.Л., Машковцев Б,МЦК.Н, Сложные волноводные системьСудпромгиз, 1963, с. 115.Давыдова Н.С., Данюшевский Юодные генераторы и усилители СВЧРадио и связь, 1986, с. 115.(54) СВЧ - ГЕНЕРАТОР57) Использование: в системах радионой, тропосферной и космическойСущность изобретения; устройствожит генераторный диод, включенныйном конце отрезка коаксиальной линдругом конце которой установлена со Изобретение относится к техникеможет быть использовано в системахиорелейной, тропосферной и космичевязи. ны СВЧ полупроводниковые гестабилизация частоты которых ется высокодобротным диэлектезонатором (ДР) или высокодобеталлическими резонаторами, ть частоты СВЧ генераторов сузависит от воздействия дестабих факторов, таких как изменение апряжений, изменение окружаературы, механические и другие я, Оценка стабильности частоты Известнераторы, осу ществля рическим р ротными м Стабильнос щественно лизирующипитающих н ющей темп воздействи 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 четвертьволна вые коаксиальные трансформаторы, 2 ил. СВЧ-генераторов может производиться как4 при кратковременном, так и при длительном воздействии дестабилизирующих факторов. Использование миниатюрных ф 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 автоподстройки частоты.Наиболее близким техническим решением является коаксиально-волноводный СВЧ генератор, который содержит полупроводниковый диод СЦЧ в кароткозамкнутом конце коаксиальной линии, другой конец линии нагружен на СН или может содержать ФНЧ, через который подводится напряжение питания на полупроводниковый диод. 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 от диафрагмы, можно добиться длительной нестабильности частоты порядка 410 (у рассмотренных выше аналогов длительная нестабильностьчастоты -10 ),-4 Более высокую стабильность частоты, очевидно такой конструкции, достичь невозможно,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 - 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 СВЧ 5 10 на которые подается через четвертьволно вые трансформаторы, Электроды изолированы от боковой поверхности волновода 30 40 45 50 55 генераторов, или другими словами, формирование высокостабильных колебаний СВЧ- генераторов, облад 5 ающих 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 Л /4 от другой грани прямоугольного ДР и на расстоянии А /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 соответствует. критерию "существенные отличия".На фиг. 1 а 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, представляощая электроды для управления диэлектрической проницаемостью сегнетоэлектрика, 8 - четвертьволновые трансформаторы, На фиг, 1 б показан вид индуктивной диафрагмы с торца, где цифрой 6 обозначена сегнетоэлектрическая пленка, а на фиг. 1 в - вид индуктивной диафрагмы сверху, где обозначения 58 те же, что и на фиг. 1 а, На фиг, 2 показана эквивалентная схема заявляемого устройства, на которой - Бд и Хд - отрицательное активное и реактивное сопротивление диода; 81, В 2, Вз, В 4 - реактивные проводимости местных полей, возникающих со стороны стыка коаксиального и частично заполненного волноводов, и со стороны стыка частично заполненного и полого волноводов; гР, п , пф, и 4 - соответствующие коэффициенты трансформации указанных плоско-поперечных стыков волноводов; Х, Хь- реактивные сопротивления Т-образной схемы замещения диэлектрического стержня; Вд - проводимость индуктивной диафрагмы; Ун проводимость нагрузки; отрезок линии передачи длиной б - сторона прямоугольного ДР вдоль оси распространения электромаг 1775838нитных 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, выракенные 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 Вп. 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 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 индук 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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, в 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 коаксиаль 177583810 15 20 30 35 40 50 55 но-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 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 - В вклю чить отрезок волновода длиной 1 с 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 - 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 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 "разряжен- ности" 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 А /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 часто-, ты колебаний при воздействии различных дестабилизирующих факторов. Этот фактнашел отражение в работах ряда авторов последних лет. Неверным является оценка длительной нестабильности частоты привлиянии 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 Кст в виде:Кст = ОнстИн, (1) где Окат - нагруженная добротность электромагнитной системы, определяемая эквивалентной схемой фиг. 2;Он - нагруженная добротность контура генератора.Вначале по формуле (1) определим Кст схемы прототипа, где под Онт будем понимать нагруженную добротность электромагнитной системы схемы прототипа. Для представления нагруженной добротности воспользуемся известным соотношением2 до бсогде Ь - суммарная нормированная проводимость, получаемая путем пересчета всех проводимостей ко входу схемы: до - проводимость потерь на резонансной частоте.Определим проводимости В и Вц, какВ 2 В 1+ щ 2 В 2 (2 д)1 1п пВи = Вз + Вд, (2 б)1 1п п1775838 12 волновода, а площадь каждого электрода равна площади соответствующей стенки фиг 1 Х-А Составитель С.МирныйТехред М.Моргентал Корректор В.Петр едак Тираж Подписноественного комит 6 та по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 4040 ВНИИПИ Г 1 1.1 1 индуктивной диафрагмы, где А- длина волны.