МАЛОГАБАРИТНЫЕ ЭЛИПСОТОРИЧЕСКИЕ ОТКРЫТЫЕ РЕЗОНАТОРЫ В ГЕНЕРАТОРАХ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

July 11, 2012 by admin Комментировать »

Архипов А. В., Белоус О. И., Корецкий А. П., Фисун А. И. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. Ак. Проскуры, 12, Харьков 61085 тел. 0572 44-83-08 e-mail: obeKcbire.kharkov.ua

Аннотация в работе приводятся результаты экспериментальных исследований квазиоптических полупроводниковых генераторов (ПГ) на диодах Ганна 8-миллиметрового (мм) диапазона с использованием стабилизирующего эллипсоторического открытого резонатора (ЭТОР). Показана перспективность использования подобных устройств для улучшения выходных параметров твердотельных источников излучения мм диапазона волн.

I.  Введение

При создании сверхскоростных систем связи важную роль приобретает практическое освоение крайне высокочастотного диапазона длин волн, в частности, миллиметрового. И в этом смысле на первый план выходит проблема разработки и создания частотно-стабильных низкоэнергетических источников СВЧ энергии ПГ миллиметрового диапазона. Одним из методов повышения стабильности частоты и улучшения спектральных характеристик ПГ мм диапазона волн является затягивание частоты генератора внешним добротным резонатором. В большинстве случаев для этого используются объемные резонаторы [1]. Однако в миллиметровом диапазоне их добротность значительно снижается, что влечет ухудшение качества спектра ПГ. Именно поэтому в полупроводниковой СВЧ технике возникла потребность в новых типах резонансных систем открытых резонаторах (ОР) [2] с нетрадиционными электродинамическими свойствами. Анализ опубликованных работ [1-3] показал, что применение добротных ОР улучшает спектральные характеристики ПГ, при этом их энергетические параметры оказываются вполне сравнимыми с волноводными конструкциями.

II.  Основная часть

Одним из решений проблемы улучшения спектральных и энергетических характеристик квазиоптических ПГ является изменение геометрии пятна поля рабочей моды ОР, что диктует и изменение его конструкции [4]. В связи с этим нами проведены экспериментальные исследования квазиоптического генератора на диоде Ганна 8-ми миллиметрового диапазона на основе ОР существенно несферической геометрии, а именно -эллипсоторических открытых резонаторов (ЭТОР) полусимметричного типа с фокусирующими эллиптическими зеркалами, характерный профиль сечения которых описывается каноническим уравнением эллипса [5]. Цель этих исследований состояла в изучении и анализе взаимодействия активного источника СВЧ мощности с геометрически различными ОР, а также в исследовании их спектральных и энергетических характеристик.

Исследуемая квазиоптическая система представлена на рис. 1. Она образована плоским зеркалом с устройством связи и вогнутым зеркалом, поверхность которого имеет две ортогональные плоскости симметрии азимутальную и радиальную. В азимутальной плоскости вогнутое зеркало обладает фокусирующими свойствами эллипса, а в радиальной фокусирующими свойствами окружности. Способ формирования такой отражающей поверхности позволяет называть подобные зеркала эллипсоторическими (ЭТ), а открытые резонаторы ЭТОР. В спектре вынужденных колебаний ЭТОР присутствуют волны типа TEMmnq, где т,п,д-количество фазовых вариаций полей собственных колебаний по азимутальной (р, радиальной R и аксиальной z координатам соответственно (рис. 1). Назовем возбуждение резонатора Е-поляризованным, если Е-компонента поля на раскрыве щели связи перпендикулярна фокальной оси образующего эллипса, и Нполяризованным, если Е-компонента параллельна его фокальной оси.

Рис. 1. Геометрические параметры исследуемого ЭТОР

Fig. 1. Geometrical parameters of ETOR under study

В данной работе исследованы две конструкции ЭТОР с металлическими фокусирующими зеркалами со следующими геометрическими параметрами: радиус кривизны зеркал в радиальной плоскости сечения Я?=175 мм; размер апертуры в этой же плоскостиZ=40mm; размер апертуры в плоскости эллиптического сечения 2а=50 мм. Эллиптические параметры: ЭТОР №1 е = 0,41; ЭТОР №2 г =

0,           778. Второе металлическое зеркало было плоским (заведомо большего диаметра 130мм, что было необходимо для уменьшения дифракционных потерь на краях его апертуры), с одиночной щелью связи 7,2×0,1мм2 на торце выведенного на его поверхность сужающегося по узкой стенке прямоугольного волновода.

Исследования спектральных характеристик ЭТОР проведены с помощью стандартного измерителя КСВН и ослаблений в диапазоне 30-37 ГГц. Функциональная схема измерительной установки, работающей по схеме "на отражение", показана на рис. 2. Оба зеркала ЭТОР устанавливались в котировочных узлах, позволяющих плавно изменять расстояния У между ними, пространственное расположение щели связи (координата X) относительно центра эллипса сечения, а также изменять поляризацию колебаний путем поворота ЭТ зеркала относительно щели связи на плоском зеркале.

Puc. 3. Функциональная схема измерительной установки для исследования энергетических и частотных характеристик квазиоптического ПГсЭТОР

Рис. 5. Топология полей в ЭТОР: а колебание с гиперболической каустикой; б колебание типа "шепчущая галерея"

Fig. 5. ETOR field topology: a) the mode with hyperbolic caustic b) whispering gallery mode

Подача запитывающего напряжения на диод Ганна ( ЭТОР включен "на отражение", см. рис. 3), совместно с изменением расстояния L между плоскостями апертур зеркал, приводит к возникновению зон генерации на частотах, близких к резонансным частотам собственных колебаний ЭТОР. На рис. 6 приведены зависимости перестройки частоты f и мощности Р для ЭТОР с £=0.41 от изменения расстояния L между зеркалами. Наблюдаемый эффект затягивания частоты генератора характеризуется перескоками частоты, что объясняется междутиповым взаимодействием колебаний. Устойчивым режимом является такой, при котором от включениявыключения источника питания диода Ганна частота / генерации не изменяется. При сравнении результатов измерений видно, что амплитудно-частотные характеристики ПГ с ЭТОР с £=0.778 превосходят эти же характеристики ПГ с ЭТОР с £=0.41 и составляют устойчивый диапазон генерации 400 МГц, потери мощности на стабилизацию порядка -2дБ. Электронная перестройка ПГ с ЭТОР составляет величину -10 МГц/В, что в пять раз лучше чем эта характеристика для волноводных ПГ.

Рис. 6. Зависимость выходной частоты f и мощности Р генератора от расстояния L между плоскостями апертур зеркал Fig. 6. The output power P and frequency f of the oscillator versus the distance L between mirrors

IV.  Заключение

Эллипсоторический резонатор занимает промежуточное положение между малогабаритными и классическими открытыми резонаторами сферической геометрии. Одним из характерных и полезных свойств ЭТОР является возможность возбуждения высокодобротных типов колебаний с эллиптической каустикой (колебания типа "шепчущая галерея") при возбуждении системы из области между краем апертуры эллиптического зеркала и его ближайшим фокусом. Уменьшенные габариты ЭТОР, жесткая конструкция и высокая добротность позволяют использовать его в качестве колебательной системы твердотельных источников излучения миллиметрового диапазона с улучшенными спектральными характеристиками.

V.  Список литературы

1.    Архипов А. В. Стабилизация частоты ГЛПД мм диапазона волн внешними объёмным и открытым резонаторами. В кн.: Физика и техника мм и субмм волн. Сб. научн. тр. Киев: Наук, думка, 1982, с.261-266.

2.    Кириченко А. Я., Харьковский С. Н. Твердотельный генератор с квазиоптическим диэлектрическим резонатором. В кн.: Твердотельные генераторы и преобразователи мм и субмм диапазонов. Харьков: ИРЭ АН УССР,

1989,    с.62-66.

3.    Булгаков Б. М., Макаров В. Н., Скресанов В. Н„

Шубный А. И. Исследование ГЛПД квазиоптического типа в трехмиллиметровом диапазоне. В кн.: Твердотельные генераторы и преобразователи мм и субмм диапазонов. Харьков: ИРЭ АН УССР, 1989, с.5-9.

4.    Корецкий А. П., Шестопалов В. П. Резонансные свойства эллипсоторического открытого резонатора.

ДАН СССР, 1989, т. 307, № 4, с.857-861.

5.    Бронштейн И. Н„ Семендяев К. А. Справочник по математике. М.: Наука, 1986,-554 с.

COMPACT ELLIPTICAL OPEN RESONATORS IN MICROWAVE GENERATORS

Arkchipov A.V., BelousO.I., Koretskiy A.P., and Fisun A. I.

Institute of Radiophysics and Electronics National Academy of Sciences of Ukraine 12, Proskura St., Kharkov 61085, Ukraine

Tel. +380572-448741, E-mail: obel@ire.kharkov.ua

I.  Introduction

The development of high-speed communication system is associated with the practical mastering of the extremely highfrequency (EHF) band. In this connection the problem of development of the high-stable low-power EHF-oscillator is of paramount importance. One of the methods of raising spectrum characteristics of semiconductor oscillators is frequency stabilization by external high-Q resonator [1].

II.  Main part

We conduct the experimental investigations of quasi-optical 8-mm wave band Gunn-diode oscillator based on an open resonator of essentially nonspherical geometry, namely, elliptical-toroidal open resonator (ETOR).

Fig.1 illustrates the axial section of the quasi-optical system under study. The concave mirror possesses the focusing property in elliptical azimuth plane and focusing spherical properties at radial plane. The way of formation of such reflected surfaces allows naming a similar mirror as an elliptical-toroidal one and open resonator we can name as ETOR.

Studies of ETOR spectrum are carried out by standard VSWR-meter near the range of 30-37 GHz (see Fig. 2). Setup for the study of frequency and power characteristics of quasioptical semiconductor oscillator with external ETOR inserted on the "reactive reflection scheme" is shown in Fig.3

Fig.4 demonstrates the spectrum of ETOR which depends on a spatial position of the coupling slot in reference both to the focal axis (y) of elliptic section and to the coordinate (A’) of its focal centrum. While the coupling slot is placed in the interfocal space, the "jumping bull" mode is excited, which is typical for a classical half-spherical open resonator. If the coupling slot is placed between focus and aperture board, so "whispering gallery" modes are excited with QL = 1400 (see Fig .5). These oscillations are peculiar to the open resonator with the great value of e . As a whole, the calculation and experiment results show possibility to excite the high Q-factor oscillation in this type resonator. It has an important bearing on the picking as an oscillation system for the frequency stabilization of solid-state source.

Millimeter wave Gunn-diode source is made as a quasiaxial unit. The diode is positioned at the special dielectric holder in the center of broad wall of 7.2×3.4mm2 waveguide section. It is possible to change frequency and output power by mechanical moving of a diode holder in the guide height. In these conditions the frequency was changed from 30 to 36 GHz and output power was in the range of 60 mW at 32 GHz.

A generation regime of an oscillator has several zones, which are a function of supply voltage and the distance between mirrors. Fig.6 shows the dependence of frequency detuning and output power for oscillator with ETOR as a function of the distance L between mirrors.

III.  Conclusion

An elliptical-toroidal resonator is intermediate in electrodynamic properties between the small-dimensioned and classical open resonators of spherical geometry. The possibility to excite high Q oscillations of the "whispering gallery" mode is one of the useful properties of this type resonator. These modes are excited when the coupling element (slot or active element) is placed between the aperture board and nearest focus of elliptical mirror. The small dimensions, hard construction and high Qfactor of ETOR recommend it as an oscillation system of millimeter wave solid-state sources with the enhanced spectral properties.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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