Архипов А. В., Білоус О. І., Фісун А. І., Булгаков Б. М., Болтовец М. С. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України Харків, 61085, вул. Ак. Проскури, 12, тел. 057-744-83-08; e-mail: obel@ire.kharkov.ua

Анотація – Викладено основні вимоги до коливальним системам твердотільних джерел короткохвильової частини мм діапазону довжин хвиль. Для стабілізації частоти запропоновані малогабаритні квазіоптичні кутикової-ешелеттние відкриті резонатори. Наведено результати експериментального дослідження характеристик кутикової-ешелеттних відкритих резонаторів. Дано рекомендації по застосуванню кутикової-ешелеттних ОР в генераторах та приведені характеристики джерел в діапазоні 50-115 ГГц.

I. Вступ

В СВЧ-діапазоні широко використовується стабілізація частоти об’ємним резонатором. Зазвичай, об’ємний циліндричний резонатор збуджується на нижчих типах коливань [1]. У деяких випадках такий конструктивний підхід може бути перенесений в КВЧ-діапазон методом масштабного моделювання. Однак, застосування циліндричного об’ємного резонатора проблематично в короткохвильовій області КВЧ-діапазону. Використання принципів Квазіоптика для твердотільних КВЧ джерел є дуже перспективним виходом з цієї ситуації, але габарити приладів при цьому часто стають неприйнятними [2].

II. Основна частина

Сформулюємо основні вимоги до коливального контуру твердотільних генераторів:

– висока добротність робочого типу коливань, додаткові селективні властивості, що дозволяє знизити рівень частотних шумів, звузити лінію генерації і знизити ймовірність перескоків частоти;

– можливість узгодження імпедансів коливальної системи та нелінійного елемента, чим забезпечується високий ККД і м’який режим збудження;

– прийнятні габарити і можливість монтажу діода без погіршення електродинамічних властивостей ОР.

Нами обраний кутикової-ешелеттний ОР, що відрізняється від класичних ОР зі сферичними і плоскими дзеркалами деяким додатковим обмеженням резонансного простору (чи об’єму) і використанням в якості одного з дзеркал ешелеттной решітки, складеної вдвічі і розташованої під кутом блиску щодо осі ОР [2,3]. На рис. 1 показана двовимірна волноводная модель ОР з кутикової-ешелеттним дзеркалом, а на рис. 4 показаний джерело випромінювання з довжиною хвилі Л = 2.6 мм стабілізованої цим резонатором. Спираючись на роботи Л. А. Вайнштейна і користуючись принципом декомпозиції, отримано суворе рішення неоднорідної завдання збудження в кутикової-ешелеттном ОР, розроблений метод аналізу подібних систем [4] та досліджено особливості спектра вимушених коливань. Класифікація типів коливань проведена з урахуванням структури полів та особливостей механізму збудження. Встановлено, що даному типу ОР притаманні деякі якості, невластиві класичним ОР.

Рис. 1. Двовимірна модель кутикової-ешелеттного ОР. Розподіл поля Н-поляризованого квазіосновного типу коливань.

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

Рис. 2. Спектр вимушених коливань сферо-кутикової-ешелеттного ОР.

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

Puc. 3. Структура поля, візуалізувати методом пробного тіла, / = 29.5 ГГц.

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

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

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

Особливості квазіосновного типу коливань задовольняють основним вимогам, що висуваються до коливальним системам твердотільних генераторів, зазначених вище. На рис.2 представлений експериментально знятий спектр вимушених коливань сферо-кутикової-ешелеттного ОР (у реальних ОР друге дзеркало – сферичне), а ріс.З показана структура поля одного з основних типів. Вкажемо на те, що поле є результат інтерференції поздовжньої і поперечної стоячих хвиль. Причому друга утворюється за рахунок ешелетт-ешелеттного відображення. У міру зменшення габаритів ОР (довжини і апертури) основні типи набувають великі втрати і в спектрі ОР залишаються квазіосновние типи, оскільки поле цих типів сконцентровано поблизу осі ОР.

На рис. 4 показаний зовнішній вигляд генератора на частоту 115 ГГц стабілізованого сферо-кутикової-ешелеттним ОР. У доповіді наводяться характеристики генераторів на діодах Ганна і ЛПД. Гамма генераторів на фіксовані частоти розроблена методом масштабного моделювання на діапазон довжин хвиль 8-2мм. Рівень частотних шумів не перевищує-80-90дБ при розладі на 20кГц від несучої. Довготривала стабільність забезпечується термостабілізації.

I. Висновок

Таким чином, в роботі показано, що генератори на діодах Ганна і ЛПД на частотах, що перевищують 50-60 ГГц доцільно стабілізувати малогабаритними ОР.

II. Список літератури

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

–   P.174-176.

[2] Фісун А. І.. Білоус О. І. квазіоптичні твердотільні джерела виміру: принципи побудови, тенденції розвитку та перспективи застосування / / Зарубіжна електроніка. Успіхи сучасної радіоелектроніки. – 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»