СТАБИЛИЗАЦИЯ ЧАСТОТЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ММ ДИАПАЗОНА. РЕЗОНАНСНЫЕ СИСТЕМЫ

April 30, 2012 by admin Комментировать »

Архипов А. В., Белоус О. И., Фисун А. И., Булгаков Б. М., Болтовец М. С. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины Харьков, 61085, ул. Ак. Проскуры, 12; тел. 057-744-83-08; e-mail: obel@ire.kharkov.ua

Аннотация – Изложены основные требования к колебательным системам твердотельных источников коротковолновой части мм диапазона длин волн. Для стабилизации частоты предложены малогабаритные квазиоптические уголково-эшелеттные открытые резонаторы. Приведены результаты экспериментального исследования характеристик уголково-эшелеттных открытых резонаторов. Даны рекомендации по применению уголково-эшелеттных ОР в генераторах и приведены характеристики источников в диапазоне 50-115 ГГц.

I.  Введение

В СВЧ-диапазоне широко используется стабилизация частоты объемным резонатором. Обычно, объемный цилиндрический резонатор возбуждается на низших типах колебаний [1]. В некоторых случаях такой конструктивный подход может быть перенесен в КВЧ-диапазон методом масштабного моделирования. Однако, применение цилиндрического объемного резонатора проблематично в коротковолновой области КВЧ-диапазона. Использование принципов квазиоптики для твердотельных КВЧ источников является весьма перспективным выходом из этой ситуации, но габариты приборов при этом часто становятся неприемлемыми [2].

II.  Основная часть

Сформулируем основные требования к колебательному контуру твердотельных генераторов:

– высокая добротность рабочего типа колебаний, дополнительные селективные свойства, что позволяет понизить уровень частотных шумов, сузить линию генерации и понизить вероятность перескоков частоты;

– возможность согласования импедансов колебательной системы и нелинейного элемента, чем обеспечивается высокий КПД и мягкий режим возбуждения;

– приемлемые габариты и возможность монтажа диода без ухудшения электродинамических свойств ОР.

Нами выбран уголково-эшелеттный ОР, отличающийся от классических ОР со сферическими и плоскими зеркалами некоторым дополнительным ограничением резонансного пространства (или объема) и использованием в качестве одного из зеркал эшелеттной решетки, сложенной вдвое и расположенной под углом блеска относительно оси ОР [2,3]. На рис. 1 показана двумерная волноводная модель ОР с уголково-эшелеттным зеркалом, а на рис. 4 показан источник излучения с длиной волны Л =2.6 мм стабилизированной этим резонатором. Опираясь на работы Л. А. Вайнштейна и пользуясь принципом декомпозиции, получено строгое решение неоднородной задачи возбуждения в уголково- эшелеттном ОР, разработан метод анализа подобных систем [4] и исследованы особенности спектра вынужденных колебаний. Классификация типов колебаний проведена с учетом структуры полей и особенностей механизма возбуждения. Установлено, что данному типу ОР присущи некоторые качества, несвойственные классическим ОР.

Рис. 1. Двумерная модель уголково-эшелеттного ОР. Распределение поля Н-поляризованного квазиосновного типа колебаний.

Fig. 1. Two-dimensional model of corner-echelette OR. The field distribution of quasi-fundamental mode (H-polarization)

Рис. 2. Спектр вынужденных колебаний сферо- уголково-эшелеттного ОР.

Fig. 2. Spectrum of the force modes of sphere-corner- echelette OR

Puc. 3. Структура поля, визуализирована методом пробного тела, / = 29.5 ГГц.

Fig. 3. The field distribution of mode with f = 29.5 GHz. Probe method experiment

Рис. 4. Общий вид макета генератора, f =115 ГГц.

Fig. 4. Brassboard model of generator (f =115 GHz) stabilized by OR

Особенности квазиосновного типа колебаний удовлетворяют основным требованиям, выдвигаемым к колебательным системам твердотельных генераторов, указанным выше. На рис.2 представлен экспериментально снятый спектр вынужденных колебаний сферо-уголково-эшелеттного ОР (в реальных ОР второе зеркало – сферическое), а рис.З показана структура поля одного из основных типов. Укажем на то, что поле представляет собой результат интерференции продольной и поперечной стоячих волн. Причем вторая образуется за счет эшелетт-эшелеттного отражения. По мере уменьшения габаритов ОР (длины и апертуры) основные типы приобретают большие потери и в спектре ОР остаются квазиосновные типы, поскольку поле этих типов сконцентрировано вблизи оси ОР.

На рис. 4 показан внешний вид генератора на частоту 115 ГГц стабилизированного сферо-уголково- эшелеттным ОР. В докладе приводятся характеристики генераторов на диодах Ганна и ЛПД. Гамма генераторов на фиксированные частоты разработана методом масштабного моделирования на диапазон длин волн 8-2мм. Уровень частотных шумов не превышает -80-90дБ при расстройке на 20кГц от несущей. Долговременная стабильность обеспечивается термостабилизацией.

I.    Заключение

Таким образом, в работе показано, что генераторы на диодах Ганна и ЛПД на частотах, превышающих 50-60 ГГц целесообразно стабилизировать малогабаритными ОР.

II.   Список литературы

[1]    Nagano S. and Ohnaka S. High Stabilized Ka-band Gunn oscillator // IEEE Trans. – 1976. – Vol. MTT-20, № 2.

–   P.174-176.

[2]    Фисун А. И.. Белоус О. И. Квазиоптические твердотельные источники измерения: принципы построения, тенденции развития и перспективы приложения // Зарубежная электроника. Успехи современной радиоэлектроники. – 1999. – № 4. -С.41-64.

[3]    Fisun A. I. Millimeter-Wave Band Open Resonators with Additional Restriction of Resonance Space // IJIR&MMW.

–   1997. – Vol.18, № 12.

[4]    Fisun A. I. Method for Analysis of Open Resonator with Step-Like Deformation of Mirrors // Electronics Lett.

–   1998.-Vol.34, № 2.-P. 192-193.

FREQUENCY STABILIZATION OF MM-WAVE SOLID-STATE OSCILLATORS. RESONANT SYSTEMS

Arkchipov A. V., Belous О. I. , Fisun A. I. , Bulgakov В. М., and Boltovets M. S.

Institute of Radiophysics and Electronics National Academy of Sciences of Ukraine

12,  Proskura St., Kharkov – 61085, Ukraine

Tel. 38057-7448741, E-mail: obei@ire.kharkov.ua

Abstract. The essential feature required to the oscillation systems for frequency stabilization of solid-state sources of short-wave part of mm-wave band is formulated. The small-size quasi-optical corner-echelette open resonator is proposed for this purpose. The method of analysis of 2-D models is described and results of experimental study of the features of OR are presented. It is recommended that these ORs will be used in oscillators in 50-150GHz frequency band.

I.  Introduction

Frequency stabilization through the utilization of resonance cavity enjoys wide application in SHF-band [1]. In some cases a such constructive approach can be extended to EHF-band by the scale simulation. However, using the cylindrical cavity is highly conjectural in short-wave part of EHF-band. The application of quasi-optic concepts for the EHF solid-state sources is very promise in this situation, but the overall device dimensions became frequently unacceptable [2].

II.  Main part

We propose to use small-dimension open resonators as an oscillation circuit of solid-state millimeter wave sources. The essential feature required to the oscillation system of solid-state oscillators is as follows:

–    a high figure of merit for the working mode and addition selective properties, that make it possible to reduce the frequency noise level, to perfect the spectrum of oscillation and to eliminate the probability of frequency jumping;

–    a possibility to mach impedances of nonlinear element and oscillation system for a high efficiency factor and soft mode;

–    a tolerable overall dimensions and diode installation without degradation of the electromagnetic properties of OR.

We dwell upon the so called corner-echelette OR, which differs from the ordinary OR. The echelette grating consists of two parts connected together. Based on the Wainstain model and decomposition principle the strong solution of excitation problem have been obtained. The method for analysis of similar structures has been developed [4]. The mode classification carried out in view of the field structure and excitation mechanism. It was determined that the OR under study has a some properties unrelated to classical OR. For instant, Fig. 1 shows the structure of the quasi-fundamental mode, receiving by computation way [4]. The figure of merit of such mode is essentially higher than fundamental mode one. The resonant field is concentrated near a resonator axis and has a waveguide structure in the vicinity of the upper echelette corner. These features of quasi-fundamental mode have become to the job enumerated above. In Fig.2 and Fig.3 are shown the spectrum and field distribution of one of such fundamental modes.

Fig.4. illustrates the outer view of sphere-corner-echelette OR stabilized generator having the frequency generation of 115 GHz. The set of generators with a fixed frequency have been developed in 8-2mm wave region by scale simulation method. The noise level is no more than -80-90dB at 20kHz detuning from current frequency.

III.  Conclusion

As presented here it makes sense to stabilize the Gunn- and IMPATT-diode oscillators by the small-size OR in the frequency band exceeding 50-60GHz. The stabilization proposed supports the prospects for using the InP Gunn-diodes and IMPATT-diodes as having a more higher frequency limit. After stabilization the frequency noise and study-state of generation are comparable to similar characteristics of the 8mm wave solid-state sources.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты