Генератор

 

Использование: при разработке радиоаппаратуры различного назначения е коротковолновой части СВЧ-диапазона. Сущность изобретения: устройство содержит открытые резонаторы основного сигнала и сигнала гармоники, каждый из которых образован соответствующим сферическим отражателем и дифракционной решеткой, выполненной в виде параллельных металлических лент на диэлектрическом слое с металлической подложкой. Полупроводниковые диоды включены между каждой из металлических лент и металлической подложкой. Приведены соотношения, определяющие выбор размеров элементов дифракционной решетки. Оси открытых резонаторов расположены в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки, с пересечением в ее центре. При этом ось открытого резонатора сигнала гармоники расположена под углом к оси открытого резонатора основного сигнала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. ЛИРЈ

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК в 1;ОдЦйй ъл

К АВТ

6. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4898975/09 (22} 03.01.91 (46) 07.11.92, Бюл. N 41 (71) Институт радиофизики и электроники

АН УССР (72) Б.М.Булгаков, А.Г1.Кусайкин, M.Ï.Íàòàров, В.Н.Скресанов и А.И.Шубный (56) Авторское свидетельство СССР

К- 1050085, кл. H 03 В 9/14, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 944071, кл. Н 03 D 7/14, 1980, (54) ГЕНЕРАТОР (57) Использование: при разработке радиоаппаратуры различного назначения в коротковолновой части СВч-диапазона.

Сущность изобретения: устройство содержит открытые резонаторы основного сигнаИзобретение относится к радиотехнике и предназначено для использования при разработке радиоаппаратуры в наиболее коротковолновой части СВч-диапазона.

Целью изобретения является повышение мощности и устойчивости генерации на гармонике основного сигнала.

На фиг. 1 изображена конструкция генератора; на фиг. 2 — изометрическая проекция дифракционной решетки.

Генератор содержит открытый резонатор основного сигнала, образованный сферическим отражателем 1 и дифракционной решеткой 2, и открытый резонатор сигнала гармоники, образованный сферическим отражателем 3 и дифракционной решеткой 2.

Вывод энергии выполнен в виде отрезка квазиоптической линии передачи 4 с фокуси„„. Ы„„177446О Al (я)5 Н 03 В 9/14, Н 03 0 7/14 ла и сигнала гармоники, каждый из которых образован соответствующим сферическим отражателем и дифракционной решеткой, выполненной в виде параллельных металлических лент на диэлектрическом слое с металлической подложкой. Полупроводниковые диоды включены между каждой из металлических лент и металлической подложкой. Приведены соотношения, определяющие выбор размеров элементов дифракционной решетки. Оси открытых ре-. зонаторов расположены в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки, с пересечением в ее центре. При этом ось открытого резонатора сигнала гармоники расположена под углом к оси открытого резонатора основного сигнала. 3 Э.п. ф-лы, 2 ил. рующей в виде отрезка квазиоптической линии передачи 4 с фокусирующей линзой 5.

Дифракционная решетка 2 содержит металлическую подложку 6, на которой расположен диэлектрический слой 7, на свободной поверхности которого размещены параллельные металлические ленты 8. Каждый из полупроводниковых диодов 9 включен между соответствующей металлической лентой 8 и металлической подложкой 6. Напряжение смещения подводится к полупроводниковым диодам 9 по металлическим лентам 8. Ось резонатора основного сигнала перпендикулярна поверхности дифракционной решетки 2, а ось резонатора сигнала гармоники образует с перпендикуляром к поверхности решетки угол р такой, что sin + - А /2nl. При этом толщина

1774460

h диэлектрического слоя 7 и расстояние d между металлическими лентами 8 должны удовлетворять соотношениям:

h = ((4п l2 е/Л -1) — 0,4)I, 0

Л- длина волны основного сигнала;

n — номер гармоники.

Генератор работает следующим образом.

Общеизвестно, что при падении на периодическую отражательную решетку пло15 ской монохроматической волны в общем случае над ней образуется спектр плоских неоднородных и однородных волн. Неоднородные волны экспоненциально затуха!от по нормали к решетке, однородные волны могут уносить энергию от решетки под углами, определяемыми выражением

sin г/>!> = -р Л /I-sin p, где р = О, +1, +2, ... номер пространственной однородной волны (так называемые про- 25 странственные гармоники), г/>> — угол, под которым р-пространственная гармоника уходит от решетки, p — угол, под которым приходит падающая волна (углы измеряются от нормали к решетке против хода часовой стрелки).

Случай, когда pp = 0, т.е, происходит совпадение угла падения волны и угла, под которым уходит р-пространственная гармоника, называется режимом автоколлимационного отражения и описывается выра>кением

0Л

sin rp= — —;—

Открытый резонатор основной частоты

f =- с/Л будем конструировать так, чтобы его ось была перпендикулярна поверхности дифракционной решетки 2, т.е, rp == г»„г= 0

Для того, чтобы в этом резонаторе не возникали пространственные гармоники с р О, т.е. во избежание возникновения дифракционных потерь, необходимо, чтобы

1<Л что следует из очевидного условия I sin г/>р I <1

Если смонтировать i-полупроводниковый диод 9 (ДГ или ЛПД) между металличе. ской подложкой 6 и металлической лентой 8 и подвести напояжение О/! смещения, в ро55 зонаторе основного сигнала возникнут автоколебания на частоте f, определяемой формулой; — — - ц + — агсспз 1 — — — „}, с г 1 с/ + !

2(! +Ы) (л где L — длина резонатора основного сигнала, R — радиус кривизны сферического отражателя 1, A L-поправка к. резонансной длине из-за наличия фазового сдвига волны, отраженной от дифракционной решетки 2, по сравнению с плоским металлическим отражателем. Формула выписана для низшего

TEMppq(g = 1,2...) типа колебаний резонатора основного сигнала, который предпочтителен в описываемом генераторе.

Хотя численное значение Л для заданной частоты f можно рассчитать, предпочтительнее предусмотреть возможность перемещения сферического отражателя 1 вдоль оси резонатора основного сигнала для настройки на желаему!о частоту.

СБЧ-ток, проходящий через полупроводниковый диод 9, имеет сложную форму, зависящую от множества факторов (режима работы, уровня СВЧ-напряжения и пр,), а следовательно, богат гармониками, В рассматриваемом устройстве открытый резонатор сигнала гармоники на частоте и гармоники образован сферическим отражателем 3 и дифракцион ной решеткой 2, установленной под углом автоколлимации г/>и для и гармоники (и = 2,3 ... номер гармоники), с частотой fi>= nf, а p=0, +.1, + 2 ...—. номер гармоники пространственного спектра решетки, Рассмотрим режим, когда пространственный сектор состоит из двух пространственных гармоник — нулевой, зеркальной по отношению к падающей волне, и (-1)-ой в режиме автоколлимации. Таким образом, энергия падающей волны (прием ее за единицу) распределяется между двумя направлениями — зеркальным .и обратным падающей волне. Случай, когда вся энергия падающей волны направлена в автоколлимационную гармонику, будем называть режимом полного автоколлимационного отражения (ПАО).

Опишем дифракционну!о решетку эквивалентным восьмиполюсником, обозначив коэффициенты преобразования на отдельно стоящей ленточной решетке следующим образом:

R> — из нулевой. падающей в нулевую отраженную гармонику;

R1 — из нулевой, падающей в (-1) отраженную гармонику;

Тс -- иэ нулевой, падающей в нулевую прошедшую гармонику;

Т1 — из нулевой, падающей в (-1) прошедшу!о гармонику.

Учитывая "оотношения Tp = 1+ Rp и Т1=

R1, получим условие для режима ПАО на всей решетке

1774460

4 лГ д-(arg(p +- р2 — 4 Ro Q )-аг9О)=2лгп где р=2Ro+1+ R 1-R о, m =0,1,2..., 2 2, Q =-2(R ) — R о)-Ro, д= h/I, 5

Г. = +i е/Л2 — 1/4

Для анализа уравнения необходимо знать коэффициенты преобразования Ro, R1, То и Т1, которые могут быть получены численно, используя метод задачи РиманаГильберта с решением соответствующих систем сумматорных уравнений (см.

Шестопалов В.П. Метод задачи РиманаГильберта в теории дифракции и распространения электромагнитных волн. — Харьков, Гас,ун-т, 1971. — 400 с.).

Однако если d»0,3I условие для режима ПАО можно упростить, аппроксимировав выра>кение в квадратных скобках уравне-,„ ния. В результате

Подставив требуемые значения длины волны iL, получим выражение входящее в формулу изобретения, означающее необходимое условие для конструирования резонатора и-гармоники. Помимо соотношений, 30 связывающих между собой параметры I,d,h, конкретной решетки на выбранной длине волны Л /и, остается верным и общее состношение, определяющее угол, пад которым нэбл одается режим ПАО, и получаемое для (-1)-й пространственной гармоники (р=-1) и и временной гармоники (i4 =-Л/и). Именно под углом р ось открытого резонатора сигнала и гармоники в предложенном генераторе должна пересекать дифракционную 40 решетку 2, т.е. ориентация сферического отражателя 3 должна быть такова, чтобы центр кривизны находился на этой аси. Два знака (+ или -) означают, чта вследствие симметрии дифракционнай решетки 2 ocb от- 45 крытого резонатора сигнала гармоники может лежать как слева, так и справа от оси открытого резонатора основного сигнала.

Полупроводниковые диоды 9 должны располагаться в области максимума распреде- 50 лений электрических полей как основного сигнала, TBK и его гармоники, и с точки зрения согласования импедансав диодов 9 и открытого резонатора основного сигнала зазор h между металлическими лентами 8 и 55 металлической подложкой 6 должен быть порядка 0,1 Л. Сформулированные требования выполняются, если! (0,4 — О,б) Л, Вывод энергии можно выполнять известными способами, например, с помощью щели связи в сферическом отражателе 3. Однако в диапазоне, где применение данного технического решения наиболее оправдано, подобные элементы связи малопригодны.

Предпочтительны распределенные выводы энергии, непосредственно согласующие лучеводные линии передачи с выходом генератора.

Сферический отражатель 3 открытого резонатора сигнала гармоники установлен с возможностью изменения угла рмежду

его осью и нормалью к поверхности дифракционной решетки 2 в пределах t p — ф I <

< 0,5 рп При этом ось квазиоптическай линии 4 передачи установлена под углам и к аси резонатора основного сигнала в плоскости., перпендикулярной образующим дифракционнай решетки 2. Указанный диапазон изменения угла rp обеспечивает изменение коэффициента связи Р резонатора основного сигнала с отрезком квэзиоптической линии передачи в пределах 0 < P< 10. что обеспечивает также оптимизацию выходной мощности.

Генератор характеризуется низким уровнем IM-шумов, использованием плэнарной технологии и может быть использован в качестве гетерадина с низким уровнем частотно-модулированных шумов.

Формула изобретения

1. Генератор, содер>кащий открытые резонаторы основного сигнала и сигнала гармоники, каждый из которых образован соответствующим сферическим отра>кателем и дифракционнай решеткой с установленным в центре полупроводниковым диодом, при этом открытый резонатор сигнала гармоники снабжен выводам энергии, а оси открытых резонаторов расположены в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки с пересечением в ее центре, отличающийся тем, что, с целью повышения мощности и устойчивости генерации сигнала гармоники, дифракционная решетка выполнена в виде параллельных металлических лент, расположенных на поверхности диэлектрического слоя, на противолежащей поверхности которого установлена металлическая подложка, а полупроводниковый диод включен между соответствующей металлической лентой и металлической подложкой, ась открытого резонатора сигнала гармоники расположена под углом р> к оси открытого резонатора основного сигнала, которая перпендикулярна поверхности дифракционной решетки, а размеры элементов дифракционной решетки удовлетворяют соотношениям

sin уъ= +Л/2nl;

1774460

h - {(4n 1 еЛ. -1) — 0,4}l, О

А- длина волны основного сигнала; п — номер гармоники;

h — толщина диэлектрического слоя;

d — расстояние между металлическими лентами;

10 е — относительная диэлектрическая проницаемость материала диэлектрического слоя.

2. Генератор по и. 1, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что между металлической подлож15 кой и каждой металлической лентой включены полупроводниковые диоды.

3..Генератор по пп. 1 и 2, о т л и ч а йшийся тем, что сферический отражатель резонатора сигнала гармоники установлен с возможностью изменения угла р в пределах Лр, 0,05р,.

4..Генератор по пп. 1-3, о т л и ч а юшийся тем, что вывод энергии выполнен в виде отрезка квазиоптической линии передачи с фокусирующей линзой, причем ось кваэиоптической линии расположена под углом + p, к оси резонатора основного сигнала в плоскости, перпендикулярной образующим дифракционной решетки.