ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН

July 29, 2012 by admin Комментировать »

Сухоручко О. Н., Белоус О. И., Касьяненко А. П., Фисун А. И. Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины ул. акад. Проскуры, 12, Харьков 61085 Тел: + ( 38 0572 ) 448308, e-mail: afis@ire.kharkov.ua


Аннотация Рассмотрены вопросы разработки параметрического усилителя и квазиоптического генератора накачки, предназначенных для применения во входных цепях систем связи и навигации коротковолновой части миллиметрового диапазона. В диапазоне 60-65 ГГц получен коэффициент усиления не менее 15 дБ в полосе частот 1 ГГц по уровню -3 дБ. Температура шумов не превышает 600 К при использовании квазиоптического ЛПД-генератора накачки.

I.  Введение

Одной из основных проблем создания высокочувствительных приемных устройств систем связи КВЧдиапазона является разработка неохлаждаемых входных цепей с низким уровнем шумов. Несмотря на значительные достижения в области разработки высокочастотных полевых транзисторов, усилителей на диодах Ганна и других, перспективным выходом из сложившейся ситуации является разработка и применение параметрических усилителей (ПУ) [1]. С укорочением длины волны традиционные подходы к проектированию ПУ становятся малоэффективными: возрастает роль собственных параметров варакторов, существенно возрастают потери в резонаторах и фильтрах, возникают проблемы технологического характера, например, в изготовлении вафельных заграждающих фильтров, бескорпусных диодов и так далее. Следовательно, понадобилась качественно новая идеология построения самой схемы ПУ и выбора его компонентов. При этом важными составными частями разработки входных цепей являются выбор схемы параметрического усилителя, улучшение характеристик варакторов и выбор генератора накачки (ГН).

II.  Основная часть

На рис.1 приведена структурная схема предложенного входного модуля.

Рис. 1. Структурная схема предложенного входного модуля

Fig. 1. The input module block diagram

Входной сигнал через циркулятор типа ФУВ-35А 1 поступает в двухконтурный ПУ 2, усиливается и, отразившись от запредельного для него волновода накачки через циркулятор, подается в нагрузку. ГН 4 включен через развязывающий ферритовый вентиль 3, исключающий отражение мощности накачки назад в генератор. Напряжением источника смещения ДБШ Есм осуществляется настройка сигнального контура ПУ.

В двухконтурном ПУ на встречных волноводах (рис. 2) фильтры накачки и холостой частоты выполнены на диэлектрических вставках 4, 5, сигнальный контур на реактивностях нелинейного элемента (емкости р-n перехода бескорпусного ДБШ 3 и индуктивности контактной иглы). Входной сигнал по сигнальному волноводу 1 поступает на диод через диэлектрические вставки, которые являются для него прозрачными, мощность накачки подается по волноводу накачки 2.

Рис. 2. Конструкция параметрического усилителя Fig. 2. Design of parametric amplifier

Фильтр холостой частоты образован реактивностями полупроводникового диода 3 и диэлектрической вставки 5. Вставки 4 и 5 предназначены для запирания прямоугольного волноводного тракта на частоте накачки и холостой частоте соответственно, а длины их регулярных участков выбраны из условия продольного резонанса [2] для волноводных волн неосновного типа. Для возбуждения высших типов волн в объеме диэлектрических вставок одна из свободных граней каждой вставки выполнена наклонной по отношению к продольной оси волноводов сигнала и накачки. Диэлектрическая проницаемость вставок выбирается так, чтобы на частотах накачки и холостой число распространяющихся волн в объеме вставок было на одну больше, чем в незаполненной части прямоугольного волноводного тракта сигнала.

В данной конструкции двухконтурного ПУ волновод накачки является запредельным на длине волны сигнала, однако электромагнитное поле частично проникает в него. Следовательно, проблема выбора расположения ДБШ для наиболее эффективного включения его в рабочие контуры является очень важной. С этой целью рассмотрена задача дифракции Нр0 волны на неоднородности в прямоугольном волноводе в Е-плоскости. Соединение двух волноводов стандартного сечения в исследуемой модели можно квалифицировать как скачок поперечного сечения волновода по узкой стенке. Электродинамическая модель Н-плоскостной ступеньки симметричного типа построена методом полуобращения [3]. Рассмотрен случай распространения Н10-волны в волноводе широкого сечения (сигнальный канал), для которой волновод накачки является запредельным.

В результате численного моделирования были получены картины дифрагированных полей (линии равного уровня Еу компоненты поля и линии равной

фазы). На рис. 3 показано распределение амплитуды поля, определяемого Еу компонентой для двух

значений частоты сигнала (сплошная линия соответствует fc = 58,4 ГГц, пунктирная -fc = 63,5 ГГц).

Рис. 3. Распределение амплитуды поля в месте стыка волноводов Fig. 3. The field distribution at guide joint

Из рисунка видно, что в полосе -7% при заданной геометрии волноводов сигнала и накачки максимум амплитуды поля (нормированный к единице) находится в области Z/a = 2, где и наиболее целесообразно размещать нелинейный элемент. Расчетные данные хорошо согласуются с экспериментальными, измеренными на одном из экспериментальных макетов. На реальных схемах ПУ было установлено, что большие коэффициенты включения диода в контуры достигаются при расположении ДБШ на расстоянии 1/8-1/10 X от места стыка волноводов.

На основе моделирования [4] был разработан ГН на ЛПД, осевое сечение которого показано на рис. 4.

Рис. 4. Осевое сечение генератора на ЛПД, стабилизированного сферо-уголково-эшелеттным ОР

Fig. 4. The axis section of IMPATT-diode oscillator stabilized by sphere-corner-echeiette open resonator

Собственно генератор выполнен в виде отрезка волновода 1, в котором установлен диод 2 с первичным низкодобротным дисковым резонатором и цепью питания. Стабилизирующий резонатор содержит уголково-эшелеттное зеркало 3, яляющееся и корпусом ОР, а также сферическое зеркало 4 с винтом настройки. Поглотителем 5 имитируется связь ОР с внешним пространством. Выбор апертуры зеркал а , длины OP L , высоты ступени эшелетта продиктован условиями возбуждения квази-основного типа колебаний с минимальными потерями [5]. Расстояние между референсной плоскостью ОР и точкой включения ЛПД 1 подбирается сменными диафрагмами 6. Частота генерации Fp=110 ГГц. Мощность не менее Pout= 15 мВт. Уровень частотных шумов не превышает -80 дБ при расстройке на 20 кГц от несущей.

Настройка и исследование характеристик модуля проводилось в два этапа. Вначале снимались характеристики всех элементов схемы, т. е. последовательные “холодные” измерения всех узлов, переходов, фильтров, диодной камеры, циркулятора. В сигнальном волноводе ПУ с фильтрами на диэлектрических вставках потери на частоте сигнала (6065 ГГц) составляют менее 1 дБ, а на частоте накачки (110 ГГц) около 30 дБ. Выбор положения места диода на стенке встречных волноводов сигнала и накачки для обеспечения необходимого коэффициента включения нелинейной емкости в рабочие контуры определялся экспериментально с учетом распределения ВЧ-полей в запредельном для сигнала волноводе накачки. Установлено, что оптимальным с точки зрения рабочей полосы и коэффициента усиления является положение ДБШ относительно стыка волноводов сигнала и накачки (внутри сигнального волновода)« 0,05 мм.

Затем определялся коэффициент усиления, рабочая полоса и температура шума ПУ с работающем ГН. На рис. 5 показаны экспериментальные зависимости коэффициента усиления и шумовой температуры модуля при частоте накачки 115 ГГц и мощности 10-15 мВт.

Рис. 5. Экспериментальные зависимости коэффициента усиления и шумовой температуры модуля

Fig. 5. Amplifier factor and noise temperature as a function of the frequency (experimental results)

III.  Заключение

Проведенные исследования позволили создать экспериментальные усилительные модули в диапазоне 60-65 ГГц при отношении частот накачки и сигнала fp/fs ~ 1,7. Насыщение ПУ происходит при уровнях входной мощности 10′6-10′7 Вт. Рабочая полоса частот при усилении 15 дБ по уровню -3 дБ составляет 1 ГГц, шумовая температура 600 К. На базе предложенной схемы возможна разработка входных малошумящих твердотельных усилительных модулей на рабочие частоты до 100 ГГц.

1.  Струков И. А. Исследование анизотропии реликтового излучения с борта ИСЗ в рамках проекта РЕЛИКТ-2. Радиотехника, 1995, № 1-2, с. 3-12.

2.  Васильева Т. И., Кириленко А. А., Рудь П. А. Резонансные явления в волноводных диэлектрических вставках с наклонными границами. Радиотехника и электроника, 1986, т 31, №3. с. 466-473.

3.  Шестопалов В. П., Кириленко А. А., Рудь Л. А. Резонансное рассеяние волн. Т. 2 Волноводные неоднородности. Киев: Наук, думка, 1986. 216 с.

4.  Фисун А.И. Высокодобротные резонансы в открытых резонаторах с частично ограниченной областью.

ДАН Украины, 1997, № 12. с. 97-102.

5.  Фисун А. И., Ткаченко В. И., Белоус О. И., Кириленко А. А. Возбуждение колебаний в открытых резонаторах с эшелеттными и уголково-эшелеттными зеркалами. Радиотехника и электроника, 2000, т. 45, № 5. с. 632-639.

PARAMETRIC SIGNAL AMPLIFICATION AT THE MILLIMETER WAVE BAND

Sukhoruchko O. N., Belous О. I., Kas’yanenko A. P., Fisun A. I.

Institute of Radiophysics and Electronic ofNASU 12, Akad. Proskura street, Kharkiv 61085 phone: + ( 38 0572 ) 448308 e-mail: afis&jre.kharkov.ua

Abstract Development of the parametric amplifier and quasioptical pumping oscillator for the input circuits of the short wave part of millimeter wave band is discussed. In 60-65 GHz the amplification factor of 15 dB had been received at the halfpower band width of 1 GHz. When applying the quasioptical pumping IMPATT-diode oscillator the noise temperature does not exceed 600 K.

I. Introduction

The development of the parametric amplifiers offers the greatest promise as the input millimeter wave circuit, and yet it takes a new approach to the choosing the scheme amplifiers and its components. As this takes place, the electromagnetic simulation of the main amplifiers components has become currently control problems.).

II. Main part

The input amplifying module consists of the parametric amplifiers and pumping. Fig.1 shows the structure of the proposed module. In the two-circuit parametric amplifiers the pumping filter and idler frequency filter are made as the dielectric inserts 4 and 5. The signal circuit is based on the p-n junction capacity of the reactance Schottky-barier (SB) diode 3 and inductance of contacting needle.

In the two-circuit parametric amplifiers being considered the signal frequency lies significantly below cut-off frequency. Nevertheless its electromagnetic field penetrates the pumping waveguide a some distance. Consequently, problem of the SB diode location choice is very important for the most efficient interaction one with working circuits. For this purpose the problem of Hp0 wave diffraction at an inhomogenity in square waveguide was considered. The field distribution of the Ey-component for two frequency signal (the continuous line is in agreement with fs = 58.4 GHz is shown on Fig. 3 and it is dotted for fs = 63.5 GHz). From Fig.3 it will be noted that at given waveguide dimensions the maximum field amplitude is placed in the area of Z/a = 2. Therefore it is best to place a non-linear element.

The IMPATT-diode pumping oscillator was designed with using an electromagnetic simulation. Fig. 4 illustrates the action section of this oscillator. The oscillation frequency is fp = 110.6 GHz. Output power does not exceed fout = 15 mW. The frequency noise level is no more than -80 dB with 20 KHz detuning relative to carrier.

III. Conclusion

The performed studies made possible to create the experimental amplify modules for 60-65 GHz at ratio of pumping and signal frequencies fp/fs ~ 1,7. The parametric amplifier saturation occurs at the input power level of 10′6-10′7 W. For amplification factor of 15 dB the working frequency band is 1 GHz at -3 dB level. The noise temperature is 600 K. On the basis of the proposed design it is possible to develop the input low-noise solidstate parametric module at working frequency up to 100 GHz.

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