УДК 621.373.52 ГЕНЕРАТОР НА ЛПД ММ ДИАПАЗОНА С ВАРАКТОРНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

УДК 621.373.52
ГЕНЕРАТОР НА ЛПД ММ ДИАПАЗОНА С ВАРАКТОРНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ
ЧАСТОТЫ
А.В. Архипов*, ст. научн. сотр.; Б.М. Булгаков*, проф.;
Г.С. Воробьев**, проф.; А.С. Фатеев*, научн. сотр.
*Институт радиофизики и электроники НАН Украины
** Сумский государственный университет
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время важное значение приобретают разработки, направленные на создание
малогабаритных источников колебаний мм диапазона волн с линейной частотной
модуляцией, которые предназначены для использования в радиоизмерительной
аппаратуре, системах связи и др. К одному из перспективных в этом отношении активных
устройств могут быть отнесены твердотельные генераторы на диодах Ганна и лавинно –
пролетных диодах ( ЛПД ) с электрической перестройкой частоты с использованием
варактора, включаемого в цепь как параллельно, так и последовательно  1-4 . Основное
достоинство таких генераторов – широкая полоса перестройки и сравнительная
линейность частотной характеристики.
Нами проведены теоретические исследования с экспериментальным подтверждением
отдельных результатов влияния геометрических размеров колебательной системы и
параметров варактора и ЛПД на частотные характеристики генератора.
1 МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРА И ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ
Генератор на ЛПД (ГЛП ) с последовательным включением варактора представляет собой
волноводную конструкцию с двумя стержневыми диододержателями (1) разных
диаметров, расположенных на одной оси широкой стенки волновода сечением 3,6  1,8
мм 2 (рис. 1). На одном из них находится варактор типа АА361А, на другом – ЛПД.
Питание на диоды подается с помощью токопроводящих микрополосковых линий (2).
Чтобы полосковые линии не замыкались друг на друга, они покрыты полиимидной
пленкой с диэлектрической проницаемостью  ~ 4 . В цепи питания включены фильтры
нижних частот для предотвращения просачивания высокочастотной мощности.
Механическая перестройка частоты и мощности осуществляется изменением положения
короткозамыкающего поршня.
Рисунок 1 - Конструкция электрически перестраиваемого генератора
Варактор имеет коэффициент перекрытия 2,2 и емкость при напряжении U  6, 0 В, равную
0,1 пФ. В мм диапазоне длин волн емкость корпуса С к в  0,1 пФ, индуктивность корпуса
L к в  0,1 мГн, сопротивление потерь R s  1 Ом  5 .
С учетом технологических факторов переменная емкость вычисляется по формуле
СU  
0, 25839
10, 4165  U
пФ.
(1)
Предельное напряжение для указанного типа варактора составляет
40 В.
Выходная мощность ЛПД в четырехмиллиметровом диапазоне волн составляет 90 - 100
мВт. Пробивное напряжение U пр  14  15 В, рабочее напряжение U р  20  22 В, рабочий
ток I р  120  130 мА, пробивная емкость С пр  0,25  0,30 пФ.
Частотная характеристика ГЛПД с последовательным включением варактора исследуется
путем машинного анализа уравнения, связывающего частоту с геометрическими
размерами колебательной системы, технологическими и электрическими параметрами
диода. Указанное уравнение можно получить, приравняв к нулю общее реактивное
сопротивление эквивалентой схемы (рис. 2а). На эквивалентной схеме L к в , С к в , R s индуктивность и емкость корпуса варактора, сопротивление потерь; C U  - переменная
емкость, создаваемая изменением напряжения на варакторе ; X L в , X вв , X Ld, X dd эквивалентные параметры стержневых диододержателей, на которых располагаются
варактор и ЛПД соответственно; ZB , Zd - реактивные сопротивления полосковых линий в
цепи питания варактора и ЛПД; R d , X d - активное и реактивное сопротивления ЛПД,
которые определяются экспериментально в зависимости от частоты 6; С к d - емкость
корпуса диода.
Слева на эквивалентной схеме генератор нагружен на волновое сопротивление волновода,
справа – короткозамкнутым отрезком с сопротивлением Z 0 t g  l к , где l к - длина
короткозамкнутого отрезка (расстояние от стенки короткозамыкателя до центра
диододержателя) ;   2   в (  в - длина волны в волноводе ).
Варактор и ЛПД по высокой частоте связаны емкостью C s , которая образуется в
результате перекрытия токопроводящих полосок. Она может быть определена как емкость
плоскопараллельного конденсатора
CS   0 
lW,
d
(2)
где d - расстояние между пластинами; l - длина перекрывающих участков; W наименьшая ширина полосок.
Эквивалентная схема (рис. 2а) посредством преобразования треугольника (точки 1, 2, 3)
в звезду может быть сведена вначале в схему на рис. 2б, затем – к схеме на рис. 2в.
Параметры эквивалентной схемы на рис. 2б:
Z0Z0j
Z КЗ
Z 1в 

X
вв
(3)
;
2
X

 j  Z 0 t g  l  dd
2

Zв
Rв X
Vв
zв

;

 j  R 2в  Z x в  X
в
X
где
X
Z хв  X
zв
в
Zв
X
Lв
X
вв
2
;
Zв
Rв  R S Sн ;
X
вв
2
;
Lв
   ,
X
в

 2
Cл 
1
   R 2S  C л   L в 
S ;
  C л L в  1 

C
U
C
  
 U   н



Cк  2
S н    C л R S  2    2 C к L в   1 
 ;
C  U   


V в  R 2в  Z 2х в ;
Z 2в  
Z 1в X
вв
2Zв
(4)
Z 3в 
;
Z в X вв
2Vв
 R в  j Z хв ;
Z в  Z 0в t g к l х .
Волновое сопротивление Z 0 в токопроводящей полосковой линии зависит от высоты
линии h ( расстояние от пластины до широкой стенки волновода ) и ее ширины W и
определяется соответствующим выражением 7:
W
W

Z 0 в  120  
 1,393  0, 667 n 
 1, 444   .
 h

 h
(5)
Выражения для вычисления параметров Z 1d , Z 2d , Z 3d получаются заменой индекса в на
d в ( 3 – 4 ), например,
Z 1d 


Zd
R d X zd  j  R 2d  Z x d  X d  X L d   ,
Vd
X zd  Z d 
Xdd
2
Z xd  Xd  XLd  Z d 
(6)
Xdd
2
,
где R d , X d - параметры эквивалентной схемы на рис. 2 а.
В явном виде общее реактивное сопротивление эквивалентной схемы имеет громоздкий
вид, поэтому здесь не приводится. Его легко получить после несложных преобразований
эквивалентной схемы ( рис. 2 в ), в которой
X dd

Z L  Z 0  R 2в  R 3d  j  X 2в  X 3d 
2


;


1 
Z   R 1в  R 1d  j  X 1в  X 1d 
;
 CS 

Z
р
(7)
X вв 

 R 2 d  R 3 в  j  X2 d  X3 в 
.
2 

При расчете сопротивления стержневых диододержателей использовались соотношения
для стержнокруглого поперечного сечения, установленного параллельно вектору
электрического поля в центре поперечного сечения волновода, в котором
распространяется  10 волна 8:
X вв ( d d )  Z 0
XLв 
где
X вв
2

aZ0 
 d
 S 0 
2в 
 2
d
в
  d 2


  
;
1  d 2 
3
1  
  S2  
2   
4
2 5   d
  
8 2

4
 d
 2

 2
4 
 2  2
S

2
S

 ,

2
0
 2в  
 
(8)

10

a

S0 4
22
d

n  3,5



S2  n
4 a 5 11    3  
 

 d 2 3  2 a 
a
1
2a
h 2  
 
2




1

;
n




2 a
2
 2 a 2
2
 h 

 n

n 
 n  3,5 
  

 2
 ,
 
где a - ширина волновода; d - диаметр стержня. Указанные соотношения справедливы
для стержня, полностью замыкающего волновод по узкой стенке. Держатели не имеют
конкретной высоты. Поэтому X вв ( d d ) , X L в ( d ) определялись с учетом прямо
пропорциональности сопротивления высоте стержня. Исследования показали, что такое
приближение при расчете реактивных сопротивлений стержневых держателей не вносит
существенных расхождений между теоретическими и экспериментальными результатами.
Анализ эквивалентной схемы (рис. 2с) показывает, что реактивное сопротивление может
быть равно нулю только во второй и третьей ветвях. Равенство нулю Z p обусловлено
резонансом в области, ограниченной короткозамыкающей стенкой и стержневыми
диододержателями, а Z  - резонансом в реактивной цепи, созданной стержнями
варактора и ЛПД, непосредственно самими диодами, а также емкостью связи. При таком
представлении генератора на ЛПД можно предположить, что емкость варактора слабо
влияет на резонанс в третьей ветви. Это подтверждается результатами исследований.
а)
б)
в)
Рисунок 2 - Эквивалентные схемы генератора:
а ) – полная схема;
б ) и в ) – обобщенные схемы
2 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТА
Представляет практический интерес рассмотрения влияние основных факторов на
изменение резонанса во второй ветви. На рис. 3 сплошными линиями нанесены
зависимости частоты от напряжения на варакторе (изменение емкости
C U   0,1575  0, 0715 пФ) для значений диаметра держателя варактора d в  1  1, 6 мм и
ширины токопроводящих полосок W = 1 мм. На этом же рисунке штриховыми
линиями представлены аналогичные зависимости от ширины полоски W = 1,0 – 2,5 мм и
диаметра d в  2,5 мм . Диаметры держателя ЛПД равны 3,2 мм. Из результатов
графического материала видно, что увеличением диаметра держателя варактора можно
сдвинуть границу диапазона перестройки частоты, уменьшить величину напряжения на
варакторе при той же полосе перестройки либо увеличить полосу перестройки. Шириной
полоски можно изменять границы полосы перестройки, но с практически постоянной
крутизной.
На рис. 3 крестиками отмечены результаты экспериментальных исследований частотной
характеристики для конкретной схемы. Расхождение теоретических и экспериментальных
результатов не превышает нескольких единиц процентов даже с учетом широкого
разброса параметров диодов.
Разброс параметров диодов существенно влияет на диапазонные характеристики
генераторов. Причем крутизна изменения частотной характеристики велика и нелинейная
вблизи собственного резонанса варактора. Так, например, увеличение индуктивности по
сравнению с начальной в 1,5 – 2 раза приводит к изменению частоты на 5 % – 10 %. Это
объясняется тем, что технологические и конструктивные параметры диодов определяют
резонанс средней ветви, эквивалентной схеме
на рис. 2 с.
Рисунок 3 - Зависимость частоты генератора от напряжения питания на варакторе для различных размеров диододержателей и
ширины полосковых линий
На рис. 4 приведены результаты исследований зависимости электронной перестройки
частоты  f и выходной мощности  от напряжения питания на варакторе Uв . Эти
зависимости получены при перемещении короткозамыкающего поршня до получения
наибольших значений мощности.
Рисунко 4 - Зависимость диапазона электронной перестройки
 f и выходной мощности
генератора от напряжения питания на варакторе
Из рис. 4 видно, что наибольший диапазон электронной перестройки и сравнительно
хорошей линейной зависимости частоты от напряжения на варакторе наблюдается при
изменении питания от 0 В до 20 В и при перепадах уровня выходной мощности
генератора менее 3 дБ. Следует отметить, что данные результаты получены при
расстоянии короткозамыкающего поршня от диодов, равном 3 4  в .
ВЫВОДЫ
1 Генератор на ЛПД с последовательным включением диодов обеспечивает ~ 4 % полосу
перестройки частоты.
2 Использование полосковой линии в цепи питания обеспечивает фильтрацию паразитных
типов колебаний и возможность управления границей полосы перестройки.
SUMMARY
An analysis of the equivalent circuit of the Impatt oscillator with varactor frequency tuning in the serial connection of an active and controlling
element. The findings of experimental and theoretical studies have shown that over a frequency range of 70 – 75 GHz a frequency tuning band on
the order of ~ 4 % has been obtained.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Martin N.C., Downing B.J. Effect of Q-factor on tuning sensitivity of microwave oscillators including reverse tuning // Electron Lett.,
1986. – V. 22, № 6. – P. 306.
Dean M., Howes M.J. Electronic tuning of stable transferred electron oscillators // IEEE Trans., 1974. – ED – 21, № 9. – P. 15 – 18.
Никитин А.Б. Диапазонные характеристики колебательной системы полоскового СВЧ- генератора с варактором // Электронная
техника. Сер. I. Электроника СВЧ, 1984. - №11. – С. 23 – 26.
Архипов А.В., Анненко Р.В., Булгаков Б.М., Канарик Г.Г. Исследование генератора на диоде Ганна с последовательным
включением элемента перестройки // Физические исследования с использованием радиоволн миллиметрового и
субмиллиметрового диапазонов. – Харьков: ИРЭ АН УССР, 1991. – С. 133 – 140.
Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Л.Г. Гассанов, А.А. Липатов,
В.В. Марков, Н.А. Могильченко. – М.: Радио и связь, 1988. – 288 с.
Лукомский В.П., Олейник Е.И. Измерения параметров эквивалентной схемы корпуса СВЧ-диода в миллиметровом диапазоне
волн // Электронная техника. Сер. I. Электроника СВЧ, 1978. - № 5. – С. 50 – 55.
Справочник по волноводам / Под ред. Я.Н. Фельда.– М.: Сов. радио, 1952. – 431с.
Гупта К., Гарж Р., Чадра Р. Машинное проектирование СВЧ-устройств. – М.: Радио и связь, 1987. – 430 с.
Поступила в редколлегию 16 декабря 2004г.