Архипов А. В., Білоус О. І., Корецький А. П., Фісун А. І. Інститут радіофізики та електроніки ім. А. Я. Усикова НАН України вул. Ак. Проскури, 12, Харків 61085 тел. 0572 44-83-08 e-mail: obeKcbire.kharkov.ua

Анотація в роботі наводяться результати експериментальних досліджень квазіоптичних напівпровідникових генераторів (ПГ) на діодах Ганна 8-міліметрового (мм) діапазону з використанням стабілізуючого елліпсоторіческого відкритого резонатора (Еторе). Показана перспективність використання подібних пристроїв для поліпшення вихідних параметрів твердотільних джерел випромінювання мм діапазону хвиль.

I. Вступ

При створенні надшвидкісних систем зв’язку важливу роль набуває практичне освоєння вкрай високочастотного діапазону довжин хвиль, зокрема, міліметрового. І в цьому сенсі на перший план виходить проблема розробки і створення частотно-стабільних низькоенергетичних джерел НВЧ енергії ПГ міліметрового діапазону. Одним з методів підвищення стабільності частоти і поліпшення спектральних характеристик ПГ мм діапазону хвиль є затягування частоти генератора зовнішнім добротним резонатором. В більшості випадків для цього використовуються об’ємні резонатори [1]. Проте в міліметровому діапазоні їх добротність значно знижується, що спричиняє погіршення якості спектра ПГ. Саме тому в напівпровідникової НВЧ техніці виникла потреба в нових типах резонансних систем відкритих резонаторах (ВР) [2] з нетрадиційними електродинамічними властивостями. Аналіз опублікованих робіт [1-3] показав, що застосування добротних ОР покращує спектральні характеристики ПГ, при цьому їх енергетичні параметри виявляються цілком порівнянними з хвилеводними конструкціями.

II. Основна частина

Одним з рішень проблеми поліпшення спектральних та енергетичних характеристик квазіоптичних ПГ є зміна геометрії плями поля робочої моди ОР, що диктує і зміна його конструкції [4]. В зв’язку з цим нами проведені експериментальні дослідження квазіоптичного генератора на діоді Ганна 8-ми міліметрового діапазону на основі ОР істотно несферіческой геометрії, а саме-елліпсоторіческіх відкритих резонаторів (Еторе) полусімметрічного типу з фокусирующими еліптичними дзеркалами, характерний профіль перерізу яких описується канонічним рівнянням еліпса [5]. Мета цих досліджень полягала у вивченні та аналізі взаємодії активного джерела НВЧ потужності з геометрично різними ОР, а також у дослідженні їх спектральних та енергетичних характеристик.

Досліджувана квазіоптичні система представлена ​​на рис. 1. Вона утворена плоским дзеркалом з пристроєм зв’язку та увігнутим дзеркалом, поверхня якого має дві ортогональні площини симетрії азимутальної і радіальну. У азимутальної площині увігнуте дзеркало володіє фокусирующими властивостями еліпса, а в радіальної фокусирующими властивостями кола. Спосіб формування такої поверхні, що відбиває дозволяє називати подібні дзеркала елліпсоторіческімі (ЕТ), а відкриті резонатори Еторе. В спектрі вимушених коливань Еторе присутні хвилі типу TEMmnq, Де т, п, д-кількість фазових варіацій полів власних коливань по азимутальної (р, радіальної R та аксіальній z координатам відповідно (рис. 1). Назвемо збудження резонатора Е-поляризованим, якщо Е-компонента поля на розкриві щілини зв’язку перпендикулярна фокальній осі утворить еліпса, і Нполярізованним, якщо Е-компонента паралельна його фокальній осі.

Рис. 1. Геометричні параметри досліджуваного Еторе

Fig. 1. Geometrical parameters of ETOR under study

У даній роботі досліджено дві конструкції Еторе з металевими фокусирующими дзеркалами з наступними геометричними параметрами: радіус кривизни дзеркал в радіальної площини перетину Я? = 175 мм; розмір апертури в цій же плоскостіZ = 40mm; розмір апертури в площині еліптичного перетину 2а = 50 мм. Еліптичні параметри: Еторе № 1 е = 0,41; Еторе № 2 г =

0, 778. Друге металеве дзеркало було плоским (завідомо більшого діаметру 130мм, що було необхідно для зменшення дифракційних втрат на краях його апертури), з одиночної щілиною зв’язку 7,2 x0, 1мм2 на торці виведеного на його поверхню звужується по вузькій стінці прямокутного хвилеводу.

Дослідження спектральних характеристик Еторе проведені за допомогою стандартного вимірювача КСХН і послаблень в діапазоні 30-37 ГГц. Функціональна схема вимірювальної установки, що працює за схемою “на відображення “, показана на рис. 2. Обидва дзеркала Еторе встановлювалися в котирувальних вузлах, що дозволяють плавно змінювати відстані У між ними, просторове розташування щілини зв’язку (координата X) щодо центру еліпса перетину, а також змінювати поляризацію коливань шляхом повороту ЕТ дзеркала щодо щілини зв’язку на плоскому дзеркалі.

Puc. 3. Функціональна схема вимірювальної установки для дослідження енергетичних і частотних характеристик квазіоптичного ПГсЕТОР

Рис. 5. Топологія полів в Еторе: а коливання з гіперболічної каустик, б коливання типу “шепочуть галерея”

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

Подача живляться напруги на діод Ганна (Еторе включений “на відбиття”, див рис. 3), спільно із зміною відстані L між площинами апертур дзеркал, призводить до виникнення зон генерації на частотах, близьких до резонансних частот власних коливань Еторе. На рис. 6 наведено залежності перебудови частоти f і потужності Р для Еторе з £ = 0.41 від зміни відстані L між дзеркалами. Спостережуваний ефект затягування частоти генератора характеризується перескоками частоти, що пояснюється междутіповим взаємодією коливань. Стійким режимом є такий, при якому від включеніявиключенія джерела живлення діода Ганна частота / генерації не змінюється. При порівнянні результатів вимірювань видно, що амплітудно-частотні характеристики ПГ з Еторе з £ = 0.778 перевершують ці ж характеристики ПГ з Еторе з £ = 0.41 і становлять стійкий діапазон генерації 400 МГц, втрати потужності на стабілізацію порядку-2дБ. Електронна перебудова ПГ з Еторе становить величину -10 МГц / В, що в п’ять разів краще чим ця характеристика для хвилеводних ПГ.

Рис. 6. Залежність вихідної частоти f і потужності Р генератора від відстані L між площинами апертур дзеркал Fig. 6. The output power P and frequency f of the oscillator versus the distance L between mirrors

IV. Висновок

Елліпсоторіческій резонатор займає проміжне положення між малогабаритними і класичними відкритими резонаторами сферичної геометрії. Одним з характерних і корисних властивостей Еторе є можливість порушення високодобротних типів коливань з еліптичної каустик (коливання типу “шепочуть галерея”) при порушенні системи з області між краєм апертури еліптичного дзеркала і його найближчим фокусом. Зменшені габарити Еторе, жорстка конструкція і висока добротність дозволяють використовувати його як коливальної системи твердотільних джерел випромінювання міліметрового діапазону з поліпшеними спектральними характеристиками.

V. Список літератури

1. Архипов А. В. Стабілізація частоти ГЛПД мм діапазону хвиль зовнішніми об’ємним і відкритим резонаторами. В кн.: Фізика і техніка мм і субмм хвиль. СБ наук. тр. Київ: Наук, думка, 1982, с.261-266.

2. Кириченко А. Я., Харківський С. Н. Твердотільний генератор з квазіоптичні діелектричним резонатором. В кн.: Твердотільні генератори та перетворювачі мм і субмм діапазонів. Харків: ІРЕ АН УРСР,

1989, с.62-66.

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

Шубний А. І. Дослідження ГЛПД квазіоптичного типу в трьохміліметрової діапазоні. В кн.: Твердотільні генератори та перетворювачі мм і субмм діапазонів. Харків: ІРЕ АН УРСР, 1989, с.5-9.

4. Корецький А. П., Шестопалов В. П. Резонансні властивості елліпсоторіческого відкритого резонатора.

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

5. Бронштейн И. Н “Семендяев К. А. Довідник з математики. 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.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.