Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”

Антипенко Руслан Володимирович

УДК 621.373.5:621.382.3

поперечно-Планарні інтегральні транзисторні

генератори НВЧ

Спеціальність 05.12.07 Антени та пристрої мікрохвильової техніки

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на кафедрі радіоприймання та оброблення сигналів.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Мачуський Євгеній Андрійович,

Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”,

декан факультету інформаційної безпеки, м. Київ.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук,

Конін Валерій Вікторович,

Національний авіаційний університет,

професор кафедри аеронавігаційних систем, м. Київ.

кандидат технічних наук,

Гура Костянтин Миколайович,

філія “Головний навчальний центр” ВАТ “Укртелеком”, доцент кафедри технічної експлуатації первинної мережі, м. Київ.

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство, науково-виробниче підприємство "Сатурн", м. Київ

Захист відбудеться 25 лютого 2005 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.14 Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут",

м. Київ, пр. Перемоги, 37, корп. № 1, ауд. № 163.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці НТУУ “КПІ” (03056, м. Київ – 56, пр. Перемоги, 37).

Автореферат розісланий 22 січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Л.О. Уривський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одними із головних вузлів, що визначають якість радіотехнічних систем, є твердотільні генератори НВЧ. Розвиток технології та покращення характеристик польових та біполярних транзисторів створюють сприятливі умови для розроблення транзисторних генераторів у діапазоні сантиметрових та міліметрових довжин хвиль. Реалізація таких конструкцій вимагає застосування інтегральних технологій, розробки ефективних систем складання потужності окремих генераторів. В більшості випадків такі пристрої реалізуються за допомогою стрічкових ліній. Проте для вирішення багатьох завдань оптимальним є використання об’ємних хвилеводів, резонаторів та квазіоптичних конструкцій. Таким чином, одними із основних питань, що необхідно вирішувати при проектуванні транзисторних генераторів НВЧ, є розроблення ефективних, відповідно до робочого діапазону довжин хвиль, елементів зв’язку інтегральної транзисторної схеми із хвилеводом або стабілізуючим резонатором. Головним методом для вирішення вказаних проблем є використання в інтегральних транзисторних генераторах планарних антен.

Аналіз відомих технічних рішень свідчить про те, що перспективними, але недостатньо дослідженими являються генератори із щілинними антенами складної форми. Такі конструкції дозволяють створювати генератори з кращими масогабаритними показниками та виявляються більш гнучкими при конструюванні. Також недостатньо вивченими є хвилевідні конструкції транзисторних генераторів, які в сантиметровому діапазоні мають переваги над квазіоптичними і теж дозволяють створювати системи просторового складання потужності.

Таким чином, актуальною задачею є розробка та дослідження поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ із щілинними антенами складної форми, а також хвилевідних та квазіоптичних генераторів на їх основі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Окремі результати роботи отримані при виконанні науково-дослідних робіт: “Багатофункціональний гібридно-інтегральний активний модуль міліметрового діапазону на лавино-пролітному діоді” (№ ДР 0183U01785), “Исследование и разработка методов контроля влажности тканей активными квазиоптическими системами” (№ ДР 01950028743), “Разработка опытного образца устройства для контроля влажности тканных материалов на основе активных квазиоптических систем” (№ ДР 0197U001420). Дослідження проводились на кафедрі радіоприймання та оброблення сигналів НТУУ “КПІ”.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення конструкцій, моделей та дослідження поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ із щілинними антенами складної форми, створення та дослідження хвилевідних та квазіоптичних генераторів на їх основі.

Досягнення цієї мети передбачає вирішення таких основних задач:

1. Розроблення теорії щілинних антен складної форми на діелектричній основі у хвилеводі; створення моделей таких структур, придатних для інженерного проектування.

2. Створення та дослідження конструкцій поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ із щілинними антенами.

3. Розроблення та дослідження хвилевідних та квазіоптичних конструкцій генераторів на основі поперечно-планарного транзисторного генератора із щілинною антеною.

4. Створення моделей коливальних систем поперечно-планарних генераторів, хвилевідних та квазіоптичних генераторів.

5. Розроблення та дослідження систем просторового складання потужності кількох генераторів у хвилевідних конструкціях; створення схем заміщення таких систем.

Таким чином, об’єктом дослідження є поперечно-планарні інтегральні транзисторні генератори НВЧ.

Предмет дослідження – щілинні антени на діелектричній пластині як основа поперечно-планарних інтегральних генераторів НВЧ, хвилевідні та квазіоптичні конструкції таких генераторів.

Методи дослідження. При розв’язанні поставлених задач у роботі використані математичні апарати функцій комплексної змінної, теорії лінійних кіл, методи узагальнених матриць розсіювання, еквівалентних схем, часткових областей, Гальоркіна та виключення Гауса.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Проведено чисельне моделювання, експериментальне дослідження та розроблення схем заміщення щілинної антени складної форми на діелектричній основі у хвилеводі.

Вперше така структура розглянута як основа для створення інтегральних напівпровідникових пристроїв НВЧ. На її базі розроблено нову конструкцію поперечно-планарного інтегрального транзисторного генератора НВЧ із щілинною антеною, що ввімкнута у коло зворотного зв’язку генератора. Розроблені конструкції таких генераторів із електричним перестроюванням частоти варакторним діодом.

2. Розроблені та досліджені оригінальні конструкції малогабаритних хвилевідних генераторів НВЧ на базі поперечно-планарного інтегрального транзисторного генератора із механічним, електричним перестроюванням частоти та стабілізовані об’ємним резонатором.

Запропоновано та досліджено нові варіанти хвилевідних систем просторового складання потужності кількох транзисторних генераторів НВЧ. Показано, що такі системи мають високу ефективність складання потужності.

3. Розроблено нову конструкцію транзисторного генератора НВЧ, стабілізованого відкритим резонатором. Основою конструкції є поперечно-планарний інтегральний транзисторний генератор. Завдяки застосуванню відкритого резонатора генератор має гарні спектральні характеристики випромінювання. Показано, що розроблений квазіоптичний генератор може бути ефективно використаний для вимірювання фізичних характеристик діелектричних матеріалів.

4. Розроблені схеми заміщення коливальних систем поперечно-планарних генераторів із щілинними антенами, хвилевідних та квазіоптичних конструкцій генераторів.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані теоретичні та практичні результати можуть бути покладені в основу розроблення сучасних транзисторних інтегральних генераторів НВЧ хвилевідних та квазіоптичних конструкцій, а також систем просторового складання потужності сантиметрового та міліметрового діапазонів довжин хвиль.

Розроблений квазіоптичний транзисторний генератор досліджений у якості давача активної системи для вимірювання фізичних характеристик матеріалів.

Особистий внесок здобувача. Основні результати, які становлять суть дисертаційної роботи, отримані автором самостійно.

У публікаціях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [2, 4] – розробка конструкцій та схем заміщення генераторів, проведення експериментальних досліджень; [3] – розробка конструкції приладу, проведення експериментальних досліджень; [5] – постановка задачі та аналіз результатів моделювання.

Співавтори робіт [2 – 5] брали участь у постановці задач, розробці схем заміщення та обговоренні результатів. Науковий керівник роботи приймав участь у формулюванні задач, обговоренні одержаних результатів і є співавтором публікацій [2, 3, 4].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідались та обговорювались на International Conference on Antenna Theory and Techniques 1997 та 1999 рр.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 наукових праць. Із них: 3 – у наукових фахових виданнях, 2 – у збірниках праць міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел. Обсяг дисертаційної роботи становить 129 сторінок. Вона містить 56 рисунків, 1 таблицю, 116 бібліографічних найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми дисертації та необхідність проведення дослідження, викладено мету роботи, її практичне значення та наукову новизну, зроблено загальну характеристику роботи.

У першому розділі проведено аналіз сучасного стану розвитку транзисторних інтегральних генераторів НВЧ із планарними антенами, розроблено їх класифікацію.

Проведено огляд конструкцій, методів проектування, технологій виготовлення та основних результатів експериментальних досліджень поперечно-планарних генераторів. Вказані позитивні якості та недоліки існуючих конструкцій. Визначені основні перспективні напрями розвитку та сфери застосування таких конструкцій генераторів НВЧ.

На основі проведеного аналізу доведено необхідність досліджень транзисторних генераторів НВЧ із щілинними антенами складної форми та хвилевідних і квазіоптичних конструкцій на їх основі. Сформульовано задачі дисертаційного дослідження.

Другий розділ присвячений чисельному моделюванню та експериментальному дослідженню щілинних антен у хвилеводі.

Щілинна антена на діелектричній основі, встановлена в площині поперечного перерізу хвилеводу, може бути використана у якості елемента хвилевідних пристроїв різного призначення, в тому числі як основа для поперечно-планарних транзисторних генераторів НВЧ. В роботі таку структуру розглянуто як поперечно-планарну неоднорідність у хвилеводі.

При чисельному моделюванні поперечно-планарну структуру (рис. 1) представлено у вигляді діелектричної пластини, один із боків якої металізований. В шарі металізації (межа ) нескінченно малої товщини виконано, в загальному випадку, отвір довільної форми. Омічні втрати в стінках хвилеводів та металізації не враховуються.

Моделювання структури проведено методом часткових областей. Виходячи із умови безперервності дотичних складових магнітного поля на межах та отримано систему інтегральних рівнянь. Для розв’язування системи використано метод Гальоркіна. У відповідності із методом невідомі дотичні електричного поля на межах та шукаються у вигляді

, ; (1)

де , – повні послідовності координатних функцій, що задовольняють граничним умовам на межах , ; , – незалежні від координат амплітудні коефіцієнти, що підлягають знаходженню. Функції та виражаються через розв’язки рівняння Гельмгольца для меж та .

Провівши відповідні перетворення із рівнянь безперервності отримано систему лінійних алгебраїчних рівнянь, яка в матричному вигляді має вид

, (2)

де – матриця часткових провідностей; – матриця-стовпчик часткових напруг; – матриця-стовпчик часткових задаючих токів.

У відповідності із загальним методом часткові провідності знайдено на основі розв'язання хвилевідних рівнянь при умові, що сторонні токи у хвилеводі відсутні. Задаючі токи знайдено при умові, що всі отвори в структурі металізовані.

Для практичного застосування як основи для транзисторних генераторів НВЧ найбільший інтерес являють поперечно-планарні структури із вузькими щілинами в шарі металізації ГПхрестоподібної або прямокутної форми (рис. 2). В якості базової моделі вибрано Г_подібну область. Змінюючи граничні умови на контурі цієї області можна змоделювати будь-який із перерахованих отворів.

Для розв’язування рівняння Гельмгольца на межі використано метод часткових областей з урахуванням поведінки поля поблизу ребра. У відповідності із прийнятим методом Г_подібну область розбито на дві прямокутні підобласті. Поле на межі зшивання підобластей апроксимовано повною та ортогональною системою функцій.

Для спрощення задачі знаходження функцій на межі поперечний переріз області, заповненої діелектриком, вибрано однаковим із перерізом вихідного хвилеводу. У цьому випадку як апроксимуючі функції використовуються відомі власні функції хвилеводу, а матриця провідностей системи (2) має переважно діагональний і сильно розріджений вигляд.

Систему рівнянь (2) розв’язано методом виключення Гауса, який модифіковано із урахуванням виду матриці часткових провідностей системи. За знайденими коефіцієнтами , отримано матрицю розсіювання структури.

Проведено теоретичні та експериментальні дослідження збігання рішень метода чисельного моделювання поперечно-планарної структури. Дослідження проведено для прямокутного хвилеводу мм2 і структури із щілиною П_подібної форми. Показано, що при моделюванні для більшості практично корисних структур (, мм) необхідна кількість членів в рядах (1) лежить в межах , . Кількість членів в апроксимуючих рядах для функцій . Розроблено вимірювальні стенди та методики проведення вимірювань залежності резонансної частоти, коефіцієнтів зв'язку та власної добротності поперечно-планарних структур від розмірів, форми та положення щілин прямокутної та П-подібної форми. Показано, що коефіцієнти зв'язку в значних межах регулюються розміром горизонтальної частини П-подібної щілини та положенням у хвилеводі. Добротність визначається в основному шириною щілини.

Загальну схему заміщення структури (рис. 3) для отримано із системи рівнянь (2). При цьому вважається, що систему сформовано у відповідності із методом вузлових напруг для лінійних кіл. Отримано формули для розрахунку елементів схеми. Значення коефіцієнтів трансформації ідеальних трансформаторів визначаються формою та положенням щілини. Аналіз схем для структур малої товщини () дозволив значно їх спростити та зробити придатними для інженерного проектування.

Найбільш придатною для створення інтегральних напівпровідникових схем НВЧ є мікрострічкова лінія. Тому для побудови поперечно-планарних транзисторних генераторів НВЧ на основі досліджуваної структури необхідно забезпечити зв'язок між мікрострічковою схемою та щілиною, що в даному випадку виступає у якості антени. Такий перехід являє собою відрізок мікрострічкової лінії, що перетинає щілинну антену. Використовується зв'язок за магнітним полем. На основі схеми заміщення структури (рис. 3) і принципу накладання розроблено схему заміщення щілинної антени із одним і двома елементами зв'язку (рис. 4). Отримано формули для розрахунку елементів схеми.

За результатами чисельного моделювання досліджено розподіл електричного поля на межі . Аналіз розподілу дозволив встановити розміри захисних інтервалів, за межами яких розміщення елементів на впливає на структуру поля в щілині. Також встановлено співвідношення геометричних розмірів щілин П-подібної форми, для яких спотвореннями структури поля в вертикальних відрізках щілини можна знехтувати. Це дозволяє розглядати її як замкнутий із двох кінців відрізок симетричної щілинної лінії у хвилеводі.

У третьому розділі представлено результати розроблення та дослідження поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ із щілинною антеною, а також хвилевідних генераторів і систем складання потужності на їх основі.

Поперечно-планарний інтегральний транзисторний генератор НВЧ сформовано на базі щілинної антени із діелектричною основою (рис. 5). Антена має П_подібну форму, що максимально спрощує топологію генератора і зменшує його габарити. На боці діелектрика, вільному від металізації, встановлюється НВЧ транзистор. Ланцюги узгодження транзистора, зв’язку із антеною та подачі живлення виконані мікрострічковою лінією. Структуру такого генератора можна розглядати як транзисторний підсилювач, що охоплений колом позитивного паралельного зворотного зв’язку через щілинну антену (рис. 6). Глибина зворотного зв’язку залежить від характеристик і положення переходів між мікрострічковою лінією та щілинною антеною. Для забезпечення запасу збудження генератор такої конструкції може мати додаткове коло послідовного зв’язку, що вводиться включенням індуктивності в коло спільного електрода транзистора.

Наявність шару мідної металізації на одному з боків діелектричної основи інтегрального генератора покращує тепловий режим роботи транзистора.

Розроблено модель та схему заміщення кола зворотного зв’язку поперечно-планарного генератора, наведено розрахункові формули. Антена розглядається як резонатор складної форми, який створений відрізком замкненої з двох кінців симетричної щілинної лінії. На схемі заміщення антену представлено відрізком еквівалентної двохпровідної лінії без втрат на випромінювання. Випромінювання антени описується двома ідеальними трансформаторами, оскільки антена випромінює у двох протилежних напрямках у середовища, що можуть мати різні фізичні характеристики. Зв’язок антени із мікрострічковими лініями описується шлейфними переходами мікрострічкова лінія – симетрична щілинна лінія. Значення провідностей, викликаних поворотом щілинної лінії, а також провідностей замкнених кінців лінії розраховано за допомогою метода Олінера.

Для побудови хвилевідних вузлів на основі розробленого поперечно-планарного генератора важливе значення має те, що щілинна антена випромінює у двох протилежних напрямках. Це дозволяє створювати прості та багатофункційні конструкції напівпровідникових генераторів НВЧ, що поєднують позитивні якості хвилевідних та стрічкових пристроїв.

Поперечно-планарний інтегральний генератор закріплюється у спеціальній хвилевідній секції і встановлюється в площині поперечного перерізу об’ємного хвилеводу (рис. 7). Зв’язок такого модуля із хвилеводами визначається формою щілинної антени, її розмірами та положенням. Хвилеводи, між якими встановлюється модуль, можуть бути не співвісними і мати різну форму та переріз. Таким чином, із кожним хвилеводом може бути забезпечене різне значення зв'язку та оптимізоване у залежності від призначення та потрібних характеристик генератора.

Схему заміщення коливальної системи поперечно-планарного хвилевідного модуля розроблено на основі моделі поперечно-планарної структури, що отримана в другому розділі роботи.

Напруга живлення на транзистор подається за допомогою мікрострічкових ліній через вузькі не випромінюючі щілини в стінках хвилевідної секції.

Розроблена конструкція дозволяє проектувати генератори без наскрізних отворів у діелектричній основі, використовуючи розімкнені шлейфи мікрострічкової лінії, і, таким чином, досить просто забезпечувати герметичність хвилевідних вузлів НВЧ апаратури.

Генераторний модуль є поперечно-планарною структурою у хвилеводі. Це дозволяє перераховувати імпеданс навантаження безпосередньо в схему генератора і цим значно спрощувати процедуру розрахунку хвилевідних генераторів.

Механічне перестроювання частоти генератора реалізовано хвилевідним коротко-замикальним поршнем, що встановлюється по один бік від модуля. З іншого боку вмикається навантаження генератора.

Для стабілізації частоти генерації та покращення спектральних характеристик випромінювання генераторів використовуються об’ємні резонатори. Запропоновано декілька конструкцій стабілізованих генераторів, що відрізняються схемами включення резонаторів відносно модуля (рис. 8). Розроблено схеми заміщення коливальних систем таких генераторів. Конструкція генераторного модуля дозволяє не вносити в об’єм резонатора неоднорідності, якими є транзистор та мікрострічкові елементи, оскільки антена та транзистор з елементами узгодження розміщуються на різних боках діелектричної основи. Резонатор вмикається зі сторони щілинної антени модуля, що безпосередньо виступає елементом зв'язку генератора із стабілізуючим резонатором. Це дозволяє уникнути зниження добротності резонатора і тим самим покращити спектр випромінювання.

Розроблено конструкції та схеми заміщення коливальних систем генераторних модулів із електричним перестроюванням частоти за допомогою варакторних діодів. Для побудови таких генераторів використовуються поперечно-планарні структури з однією або двома щілинними антенами на одній діелектричній основі. В першому випадку діод вмикається безпосередньо у коло зворотного зв'язку генератора, реалізоване через щілинну антену (рис. 9а). Кола подачі зміщення на варактор виконуються мікрострічковою лінією. У другому випадку використовуються структури із двома щілинними антенами (рис. 9б). На базі однієї антени формується схема генератора. Друга антена за допомогою мікрострічкової лінії зв'язана із варакторним діодом. Характеристики та положення переходу регулюють глибину зв'язку варактора з антеною. Діапазон перестроювання такого генератора також залежить від глибини зв'язку між антенами.

Запропоновано варіанти побудови електрично перестроюваних генераторів у хвилеводі на двох поперечно-планарних структурах (рис. 10). В таких конструкціях модулі розміщуються на заданій відстані один від одного. Один із них – це генераторний модуль, а другий – варакторний, що складається із щілинної антени, зв'язаної із варакторним діодом. Аналіз схем таких генераторів показав, що потенційно більший діапазон перестроювання частоти, при інших однакових умовах, будуть мати генератори у яких варакторний модуль розміщується між короткозамикаючим поршнем і генераторним модулем.

Використання p-i-n діодів в поперечно-планарних генераторах замість варакторних дозволяє ступінчато змінювати електричну довжину антени і таким чином створювати генератори із частотною маніпуляцією.

При побудові генераторів зі складанням потужності у хвилеводі відбувається просторове складання потужності. Запропоновано оригінальну конструкцію з розміщенням кількох окремих генераторів на одній діелектричній основі (рис. 11). Кожен генератор формується на основі окремої щілинної антени. Таким чином створюється генераторна решітка, яка встановлюється у поперечному перерізі хвилеводу. Також розглянуто можливість складання потужності при розміщенні кількох модулів у хвилеводі на заданій відстані один від одного. Для розрахунку таких генераторів розроблено схеми заміщення коливальних систем, запропоновано варіанти синхронізації генераторів.

Теоретичні розробки підтверджено експериментальним дослідженням хвилевідних конструкцій генераторів на основі поперечно-планарних транзисторних модулів. Досліджено генератори із механічним та електричним перестроюванням частоти. Щілинна антена у всіх конструкціях має П_подібну форму. Активний елемент – польовий транзистор з бар’єром Шоткі. Дослідження проведено у діапазоні частот 7 – 8 ГГц, у прямокутному хвилеводі перерізом мм2. Досягнутий діапазон електричного перестроювання частоти напругою живлення у дослідного зразка – 250 МГц, модуляційна чутливість – 100 МГц/В. Діапазон механічного перестроювання хвилевідним поршнем – 300 МГц, при зміні вихідної потужності на 3 дБ. Максимальна вихідна потужність генератора становила 20 мВт при ККД .

Генератори із варакторним перестроюванням частоти побудовані на основі модулів, що мають дві щілинні антени (рис. 9б). Показано, що такі генератори мають діапазон перестроювання близько 0,5 _1% при зміні вихідної потужності на 3 дБ, що зумовлено малим значенням зв'язку між двома антенами.

Для всіх досліджених генераторів різниця між потужностями, що випромінюються у хвилеводі в протилежних напрямках не перевищувала 10%.

Проведено експериментальне дослідження хвилевідної системи просторового складання потужності двох генераторів. Генератори виконані на одній діелектричній основі із двома щілинними антенами П_подібної форми (рис. 11). Для синхронізації використано зовнішній об'ємний резонатор. Ефективність складання потужності такої системи становила 83,3% на частоті 8,5 ГГц.

Четвертий розділ присвячено розробці та дослідженню генераторів НВЧ із квазіоптичними резонансними системами на основі поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів із щілинними антенами.

Добротність відкритих резонаторів на кілька порядків вища, ніж у об’ємних, що обумовлює їх використання для побудови генераторів із гарними спектральними характеристиками. В розроблених конструкціях генераторів каналізація випромінюваної потужності проводиться за допомогою об'ємного хвилеводу. Генераторний поперечно-планарний модуль встановлюється на одному із дзеркал відкритого резонатора в місці з’єднання резонатора із хвилеводом. Його орієнтовано таким чином, що шар металізації діелектричної основи є частиною поверхні дзеркала. Транзистор із мікрострічковими елементами кіл узгодження не вноситься в об’єм резонатора. Зв’язок модуля з полем резонатора забезпечується щілинною антеною. Така конструкція дозволяє запобігти зниженню добротності та спотворенню поля відкритого резонатора, що відбувається при внесенні в нього транзистора із мікрострічковими елементами. Також зменшуються додаткові паразитні зв’язки між різними елементами схеми генератора та виключається випромінювання потужності цими елементами за межі резонатора. При відсутності отворів у діелектричній основі модуля об'єм відкритого резонатора можна зробити герметичним, щоб зменшити вплив зовнішнього середовища на його характеристики.

Запропоновано конструкції квазіоптичних генераторів із різним включенням відкритого резонатора (рис. 12), розроблено схеми заміщення коливальних систем.

Експериментально досліджено генератор, зібраний по схемі із включенням двохдзеркального напівсиметричного відкритого резонатора “на відбиття” (рис. 12а). Для забезпечення температурної стабільності дзеркала резонатора закріплені на спеціальній інваровій основі, конструкція якої дозволяє змінювати відстань між дзеркалами. Поперечно-планарний модуль з антеною П-подібної форми встановлено в центрі сферичного дзеркала. Живлення на модуль подається через щілини у вузьких стінках прямокутного вихідного хвилеводу. В якості активного елемента застосовано польовий транзистор із бар’єром Шоткі. Досягнутий рівень вихідної потужності склав 40 мВт на частоті 9 ГГц, при ККД 13%. Діапазон механічного перестроювання частоти переміщенням дзеркал – 3,3%.

Завдяки своїм особливостям, відкриті резонатори находять застосування також для вимірювання фізичних характеристик діелектричних матеріалів. На основі розробленого квазіоптичного генератора створено активну систему вимірювань фізичних властивостей матеріалів, у якій відкритий резонатор разом із дослідним зразком матеріалу включені в резонансну систему генератора. Зміна частоти та рівня сигналу генератора дозволяють отримувати інформацію про фізичні властивості зразка.

Активну систему досліджено на прикладі вимірювання вологості матеріалів. Принцип роботи базується на значній відмінності діелектричної проникності власне води та речовин, що її вміщують. Тому зміна характеристик сигналу генератора при внесенні матеріалу залежить практично тільки від вмісту води в речовині. Дослідження, проведені в діапазоні частот 8 – 9 ГГц, показали, що розроблений прилад має високу чутливість, точність та просту конструкцію.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішено актуальну наукову задачу, яка полягає в розробці та дослідженні поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ та хвилевідних і квазіоптичних конструкцій генераторів на їх основі. Виконані в роботі дослідження дали змогу зробити наступні висновки:

1. Одним із перспективних методів покращення характеристик генераторів НВЧ є розробка інтегральних транзисторних конструкцій із щілинними антенами, об’єднання їх із хвилевідними та квазіоптичними структурами.

2. Проведені розрахунки та експериментальні дослідження хвилевідної поперечної неоднорідності у вигляді діелектричної пластини зі щілиною складної форми в шарі металізації дозволили створити чисельну модель та розробити схеми заміщення. Показано, що вона може ефективно використовуватись для побудови інтегральних напівпровідникових схем НВЧ, як діодних, так і транзисторних. В такому випадку щілина використовується як антена, що забезпечує зв'язок між стрічковою схемою пристрою та навантаженням.

3. Розроблено оригінальні конструкції поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ на діелектричній основі із щілинною антеною складної форми у колі зворотного зв’язку. Такі генератори мають просту та компактну конструкцію. Запропоновано конструкції генераторів із електричним перестроюванням частоти варакторним діодом. Показано, що такі пристрої дозволяють створювати хвилевідні та квазіоптичні конструкції транзисторних генераторів, а також системи просторового складання потужності.

4. На базі поперечно-планарних транзисторних генераторних модулів розроблено та досліджено нові, прості та малогабаритні конструкції хвилевідних генераторів із механічним, електричним перестроюванням частоти та стабілізованих об’ємним резонатором. Модуль встановлюється у площині поперечного перерізу хвилевідного тракту, а положення, форма та розміри щілинної антени дозволяють регулювати зв’язок модуля із навантаженням у широких межах.

5. Показано, що використання щілинних антен, інтегрованих в конструкцію транзисторного генератора НВЧ, дозволяє створювати прості та ефективні системи просторового складання потужності кількох окремих генераторів НВЧ, як у квазіоптичних, так і у хвилевідних конструкціях. Запропоновано варіанти реалізації таких систем і методів синхронізації. Висока ефективність складання хвилевідних систем підтверджена експериментальними дослідженнями.

6. Розроблено нові конструкції квазіоптичних транзисторних генераторів, стабілізованих відкритим резонатором. Генератори мають хвилевідний вихід, що полегшує каналізацію випромінювання. Поперечно-планарний модуль встановлюється у місці з'єднання хвилеводу із резонатором. Завдяки застосуванню відкритого резонатора генератор має гарні спектральні характеристики випромінювання. Конструкція модуля дає змогу не вносити в об’єм резонатора транзистор та елементи стрічкових ліній, що дозволяє запобігти зменшенню добротності резонатора. Для зменшення впливу характеристик зовнішнього середовища можлива герметизація відкритого резонатора, завдяки відсутності отворів у діелектричній основі модуля.

7. Показано, що розроблена конструкція квазіоптичного генератора може бути використана як портативна, проста та не коштовна активна система для вимірювання фізичних характеристик матеріалів. Пристрій використано для вимірювання вологості тканин. Дослідження показали, що вологомір має високу чутливість та точність вимірювань.

8. Розроблені моделі та схеми заміщення коливальних систем поперечно-планарного генератора, хвилевідних та квазіоптичних генераторів дозволяють проводити їх проектування по заданим характеристикам.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

Здобувачеві належить розробка конструкцій та схем заміщення генераторів, проведення експериментальних досліджень.

3.

Здобувачеві належить розробка конструкції приладу, проведення експериментальних досліджень.

4.

Здобувачеві належить розробка конструкцій та схем заміщення генераторів, проведення експериментальних досліджень.

5.

Здобувачеві належить постановка задачі та аналіз результатів моделювання.

АНОТАЦІЯ

Антипенко Р. В. Поперечно-планарні інтегральні транзисторні генератори НВЧ. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.07 – Антени та пристрої мікрохвильової техніки. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ – 2004.

Дисертацію присвячено моделюванню коливальних систем, створенню нових конструкцій та експериментальному дослідженню поперечно-планарних інтегральних транзисторних генераторів НВЧ та хвилевідних і квазіоптичних генераторів на їх основі. Із цією метою проведено чисельне моделювання та експериментальне дослідження поперечної неоднорідності у хвилеводі у вигляді діелектричної пластини із щілиною складної форми у шарі металізації. За результатами моделювання запропоновані еквівалентні схеми структури. На основі дослідженої структури створені оригінальні поперечно-планарні інтегральні транзисторні генератори із щілинними антенами складної форми у колі зворотного зв'язку. Розроблено конструкції таких генераторів із електричним перестроюванням частоти варакторним діодом. Запропоновано та досліджено конструкції хвилевідних та квазіоптичних генераторів НВЧ, що створюються на основі поперечно-планарних генераторів. Розроблено і досліджено системи просторового складання потужності у хвилевідному тракті. Для розрахунку генераторів розроблено схеми заміщення коливальних систем поперечно-планарних генераторів, хвилевідних та квазіоптичних генераторів НВЧ. На базі квазіоптичного генератора створено і досліджено активну система для вимірювання фізичних характеристик діелектричних матеріалів.

Ключові слова: транзисторний генератор НВЧ, щілинна антена, хвилевідний генератор, квазіоптичний генератор, складання потужності.

АННОТАЦИЯ

Антипенко Р. В. Поперечно-планарные интегральные транзисторные генераторы СВЧ. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.07 – Антенны и устройства микроволновой техники. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев – 2004.

Диссертация посвящена моделированию колебательных систем, созданию новых конструкций и экспериментальному исследованию поперечно-планарных интегральных транзисторных генераторов СВЧ.

Для достижения поставленных целей в работе проведено численное моделирование и экспериментальное исследование поперечно-планарной неоднородности в волноводе. Неоднородность представляет собой диэлектрическую пластину, установленную в поперечном сечении волноводного тракта. Одна из сторон пластины металлизирована. В слое металлизации выполнено отверстие сложной формы. Моделирование проведено методом частичных областей. Теоретические и практические исследования показали хорошую сходимость и точность модели. По результатам исследований разработаны эквивалентные схемы неоднородности.

Поперечно-планарная структура рассмотрена как основа для создания интегральных полупроводниковых устройств СВЧ. В этом случае активные элементы размещаются на стороне диэлектрического основания свободной от металлизации. Отверстие в слое металлизации является щелевой антенной и обеспечивает связь устройства с нагрузкой. Элементы подачи питания, согласования и связи активного элемента с антенной выполняются микрополосковой линией. На базе такой структуры разработана новая конструкция поперечно-планарного интегрального транзисторного генератора СВЧ со щелевой антенной в цепи обратной связи.

Разработаны конструкции поперечно-планарных генераторов с электрической перестройкой частоты варакторным диодом. Для этого использованы поперечно-планарные структуры с одной или двумя щелевыми антеннами. Во втором случае на базе одной антенны формируется схема транзисторного генератора, а другая антенна связанна с варакторным диодом.

Разработаны и исследованы оригинальные конструкции малогабаритных волноводных генераторов СВЧ на базе поперечно-планарного интегрального транзисторного генератора с механической, электрической перестройкой частоты и стабилизированные объемным резонатором. Интегральный генератор устанавливается с помощью специальной секции в поперечном сечении волноводного тракта. Питание подается через неизлучающие щели в стенках волновода. Связь такого генераторного модуля с нагрузкой определяется формой и положением щелевой антенны. Различные варианты волноводных генераторов получают путем присоединения к генераторному модулю соответствующих волноводных узлов.

Предложены и исследованы новые варианты волноводных систем пространственного сложения мощности нескольких транзисторных генераторов СВЧ. Для построения таких систем используются как поперечно-планарные структуры с несколькими щелевыми антеннами на одном диэлектрическом основании, так и несколько структур с одной или несколькими антеннами, расположенные в волноводе на определенном расстоянии друг от друга. Эффективность сложения мощности экспериментально исследованной системы из двух генераторов на одном основании превышает 83%.

Разработана новая конструкция транзисторного генератора СВЧ, стабилизированного открытым резонатором. Основой конструкции является поперечно-планарный интегральный транзисторный генератор. Генератор установлен в месте соединения открытого резонатора с волноводом. Выбор ориентации генератора позволяет не вносить в резонатор активный элемент с микрополосковой схемой и тем самым избежать снижения его добротности. Благодаря применению открытого резонатора генератор имеет высокие спектральные характеристики излучения. Показано, что разработанный квазиоптический генератор может эффективно использоваться для измерений физических характеристик диэлектрических материалов.

Созданы схемы замещения колебательных систем поперечно-планарного генератора со щелевой антенной, волноводных и квазиоптических генераторов СВЧ, что позволяет проводить их проектирование по заданным характеристикам.

Ключевые слова: транзисторный генератор СВЧ, щелевая антенна, волноводный генератор, квазиоптический генератор, сложение мощности.

ABSTRACT

Antipenko R. V. Тransverse-planar integral transistor microwave oscillators. –

Manuscript.

Science degree thesis on the major of 05.12.07 – Antennas and microwave devices. – National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv – 2004.

The thesis is devoted to modeling, new construction development, experimental research of transverse-planar integral transistor microwave oscillators that were used for design of waveguide and quasi-optical oscillators. Numerical simulation and experimental research of transverse discontinuity in waveguide were carried out. The discontinuity was represented as dielectric slab with complex form slot in plating layer. Equivalent circuit of this structure was developed. Novel transverse-planar integral transistor microwave oscillators with complex form slot antenna in feedback circuit were developed based on researched structure. Designs of voltage controlled oscillators were developed. Designs of waveguide and quasi-optical oscillators based on transverse-planar oscillators were proposed and researched. Spatial power combining systems in waveguide were implemented and researched. Equivalent circuits all proposed oscillators were developed. Quasi-optical oscillators were used for implementation of active system for measurements of dielectric materials physical characteristics.

Key words: transistor microwave oscillator, slot antenna, waveguide oscillator, quasi-optical oscillator, power combining.

Підписано до друку 10 грудня 2004 р.

Формат паперу 6090/16. Папір офсетний. Ум. друк. арк. 1.

Замов. № 11. Тираж 100 прим. Безкоштовно.

Редакція журналу "Изв. высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника"

03056, Київ56, пр. Перемоги, 37