RU2190921C2

RU2190921C2 - Генератор сверхвысоких частот

Info

Publication number: RU2190921C2
Application number: RU99128017/09A
Authority: RU
Inventors: П.Ю. Волощенко; Ю.П. Волощенко
Original assignee: Таганрогский государственный радиотехнический университет
Priority date: 1999-12-31
Filing date: 1999-12-31
Publication date: 2002-10-10

Abstract

Изобретение относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано в качестве источника электромагнитных колебаний в радиопередающих устройствах. Техническим результатом является увеличение выходной мощности без увеличения габаритов генератора СВЧ. В генераторе СВЧ, содержащем M (единиц) двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, установленных параллельно и периодически вдоль линии передачи в максимумах стоячей волны СВЧ напряжения, n (единиц) двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью размещены параллельно и периодически вдоль линии передачи в минимумах стоячей волны СВЧ напряжения, где m=1,2,3,..., n=1,2,3,... 9 ил.

Description

Изобретение относится к области техники СВЧ и может быть использовано в качестве источника электромагнитных колебаний в радиопередающих устройствах.

Известны конструкции генераторов на многоструктурных лавинно-пролетных диодах (ЛПД) с параллельным соединением структур по постоянному току (см. статью Агальцова Ю.А., Петров Б.Е., Сибирцев Л.С. Микрополосковые генераторы на многоструктурных ЛПД// Радиотехника. 1987. 11.- С. 14 - 20). В этих генераторах ЛПД включает в себя k (единиц) диодных структур с отрицательной проводимостью, непосредственно контактирующих по плоскости перехода с металлическим теплоотводом и соединенных между собой и нагрyзкой золотыми проволочками, длина которых значительно меньше длины волны генерируемых колебаний, где k = 9 - количество диодных структур.

Общие признаки с заявляемым изобретением: использование нескольких (девяти) двухполюсных структур с отрицательной проводимостью для повышения мощности, генерируемой в СВЧ диапазоне.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем. Размещение каждой структуры на расстоянии друг от друга, определяемом ее геометрическими размерами, требованиями теплоотвода и не зависящем от длины волны генерируемых колебаний, обуславливает неравномерность распределения амплитуды СВЧ напряжения по структурам за счет падения напряжения на индуктивностях соединительных перемычек. Неравномерность распределения напряжения приводит к неконтролируемым скачкам генерируемой мощности и затрудняет настройку девятиструктурного ЛПД на максимум мощности.

Другой генератор (см. книгу: СВЧ устройства на полупроводниковых диодах /Под ред. И.В. Мальского, Б.В. Сестрорецкого. М.: Сов. Радио, 1969, с.200, рис. 8.1.8) содержит n (единиц) (где n=2) туннельных диодов - двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, помещенных в общем коаксиальном резонаторе, закороченном с обоих концов в yзлах электрического поля и, соответственно, в пучностях магнитного поля на расстоянии друг от друга, соответствующем половине длины волны колебаний. Связь нагрyзки с резонатором осуществляется емкостным штырем, помещенным в пучности электрического поля. В такой схеме диоды работают синфазно и включены параллельно по отношению к высокочастотной нагрyзке и к источнику питания.

Общие признаки с заявляемым изобретением: использование нескольких (n=2) диодов с отрицательной проводимостью, размещенных в пучностях магнитного поля для повышения генерируемой мощности в СВЧ диапазоне.

Причины, препятствующие достижению технического результата, заключаются в следующем. Расположение диодов только в пучностях магнитного поля, т.е. на расстоянии половины длины волны колебаний друг от друга, что соответствует полyволновому виду колебаний резонансной системы, yвеличивает габариты и вес устройства СВЧ.

Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является конструкция генератора на m (единиц) ЛПД-двухполюсных приборах с отрицательной проводимостью, размещенных на металлическом теплоотводящем основании и включенных параллельно и периодически в максимумах стоячей волны напряжения вдоль микрополосковой линии передачи СВЧ, где m=2,3,4,5 - количество ЛПД (см. пат. 4706041 США, МКИ Н 01 Р 3/08; Н 01 Р 7/08; Н 03 В 7/14; H 03 F 3/60. Periodic negative resistance microwave structures and amplifier and oscillator embodiments thereof/Burban Bayraktaroglu (CШA); Texas Instruments Incorporated (US). N868712. Заявл. May 28, 1986; Опубл. Nov.10, 1987. НКИ 331/52, 330/54). Линия передачи разомкнута на одном конце, а на другом конце ее присоединена "полезная" нагрyзка генератора.

Общие признаки с заявляемым изобретением: использование нескольких диодов с отрицательной проводимостью (m=2-5), включенных параллельно вдоль линии передачи в максимумах стоячей волны СВЧ напряжения на расстоянии половины длины волны колебаний друг от друга для повышения генерируемой мощности.

Причины, препятствующие достижению технического результата. Расположение диодов только в максимумах стоячей волны СВЧ напряжения, что соответствует полyволновому виду колебаний резонансной системы, ограничивает уровень выходной мощности устройства при заданных его габаритах.

Задачей предлагаемого изобретения является yвеличение выходной мощности без yвеличения габаритов генератора СВЧ.

Технический результат заключается в том, что возрастает количество двухполюсных приборов в генераторе без yвеличения его габаритов (плотность размещения электронных приборов в генераторе СВЧ, которая определяется объемом конструкции, приходящимся на один диод) и соответственно возрастает выходная мощность генератора.

Технический результат достигается тем, что в генераторе СВЧ, содержащем m (единиц) двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, установленных параллельно и периодически вдоль линии передачи в максимумах стоячей волны СВЧ напряжения, n (единиц) двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью размещены параллельно и периодически вдоль линии передачи в минимумах стоячей волны СВЧ напряжения, где m=1,2,3,...., n=1,2,3,....

При этом:
1) общее количество приборов с отрицательной проводимостью возрастает до k=m+n (единиц), а пропорционально количеству приборов yвеличивается генерируемая ими мощность при постоянной длине отрезка линии передачи,
2) при минимальной длине отрезка линии передачи, указанной в прототипе и аналоге, количество диодов равно m=2 или n=2; в предлагаемом генераторе СВЧ при аналогичной длине отрезка линии передачи общее количество диодов k=3,
3) с другой стороны, при необходимости уменьшения габаритов и фиксированном уровне выходной мощности предлагаемого генератора СВЧ минимальное количество диодов равно двум (k=2); в этом случае, в отрезке линии передачи, являющемся резонатором, соединяющем "полезную" нагрузку и диод (m=1), установленный в конце этой линии (в максимуме стоячей волны СВЧ напряжения), нужно в сечении линии, где находится минимум стоячей волны напряжения, параллельно разместить другой диод (n=1) с отрицательной проводимостью.

Таким образом, в обоих конструкциях рядом расположенные диоды должны находиться в максимуме и в минимуме стоячей волны СВЧ напряжения; при этом режим работы резонансной системы соответствует четвертьволновому виду колебаний между соседними диодами, когда ее электрическая длина равна λ/4, где λ - длина волны колебаний в линии передачи (см. книгу Плодухин Б.В. Коаксиальные диапазонные резонаторы. М.: Сов. радио. l956, с.15).

Наличие отличительных признаков обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию "новизна". Заявляемое техническое решение соответствует также критерию "существенные отличия", поскольку не обнаружено решений с признаками, сходными с признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа.

Возможность достижения технического результата изобретения подтверждается следующими теоретическими выводами.

Ниже излагаются некоторые вопросы теории суммирования мощностей негатронов на основе квазилинейного метода, опирающиеся на использование импедансных характеристик микроволновых электронных приборов, определенных в результате измерений или расчетов.

Известно, что генераторы СВЧ либо являются негатронными (диодные), либо могут быть представлены негатронной моделью (ламповые, транзисторные). Поэтому, в дальнейшем, под двухполюсником с отрицательной проводимостью понимаем любой электронный прибор, описываемый негатронной моделью.

При осуществлении суммирования мощности негатронов в автоколебательном режиме эти электронные приборы соединяются между собой и нагрузкой через элементы конструкций с распределенными параметрами.

Первоначально, проведем рассмотрение схем генераторов СВЧ с минимальным числом k=3,2 двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью.

Рассмотрим конструкцию генератора СВЧ, состоящую из трех двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью - диодов, включенных параллельно в линию передачи и расположенных на определенном расстоянии друг от друга, соизмеримом с длиной волны колебаний в системе. Диоды являются внутренними зависимыми источниками электрической энергии, комплексная проводимость которых зависит от амплитуды СВЧ напряжения па них.

При анализе импедансных характеристик диодной системы предполагаем следующее:
1) длина проводника между негатронами соизмерима с длиной волны электромагнитных колебаний, поэтому анализируем его как отрезок однородной линии передачи СВЧ без потерь, в котором распространяется только волна основного типа;
2) геометрические размеры негатронов малы, по сравнению с длиной волны колебаний в линии передачи, поэтому рассматриваем их как элементы с сосредоточенными параметрами.

Эквивалентная схема генератора, образованного тремя двухполюсными приборами, включенными параллельно в линию передачи, приведена на фиг.1, где:
Yei= Gei+jBei - комплексные нелинейные проводимости первого, второго и третьего диодов, размещенных в сечениях 1-1, 2-2 и 3-3 линии (i=1,2,3), зависящие от амплитуды СВЧ напряжения;
Yнi= Gнi+jBнi - комплексные проводимости внешних линейных частотно-зависимых нагрузок в сечениях 1-1, 2-2 и 3-3 линии;
112, 113 - длины отрезков однородной линии передачи, заключенных между сечениями 1-2, 1-3 линии;
Y0i, γi - волновая проводимость и постоянная распространения волны в отрезках линии передачи;
Yвxi - входные проводимости участков системы слева и справа от сечения 3-3, расположенного на произвольно выбранном расстояния х от сечения 1-1;
А1, А2, А3 - амплитуды СВЧ напряжения в сечениях 1-1, 2-2, 3-3 схемы;
Yi=Yei+Yнi=Gi+jBi - суммарные проводимости параллельного соединения двухполюсников Ye_i, Yн_i, в сечениях 1-1, 2-2, 3-3.

Считаем, что а) продольная координата х в линии передачи возрастает вправо, ближе к началу координат размещен первый диод, дальше от начала координат - второй, а между ними - третий, б) "полезная" нагрузка расположена в сечении 1-1 схемы и характеристики волновой системы рассматриваем в этом сечении, в) волновая проводимость Y0i=Y0.

На фиг.2 представлена двухдиодная схема генератора СВЧ.

Нормированная комплексная входная проводимость генератора определяется выражениями трехдиодной системы в сечении 3-3
y33=Y33/Y0=ун3(ω)+уе3(А3,ω)+yвх1(А1,ω)+yвх2(А2,ω), Y33=G33+jB33, (1а)
где ун3= Yн3/Y0, ye3=Ye3/Y0, yвх=Yвх/Y0 - полные проводимости нагрузки, третьего диода и входные проводимости систем, расположенных справа и слева от сечения 3-3 (см. фиг-1), нормированные по величине Y0;
следовательно, трехдиодная система состоит из двух основных частей: сосредоточенной ун3(ω)+уе3(А3,ω) и распределенной yвх1(А1,ω)+yвх2(А2,ω); и двухдиодной системы в сечении 1-1
yl1=Y11/Y0=yн1(ω)+yе1(А1,ω)+yвх(А2,ω), Yl1=G11+jBl1, (1б)
где yн1= Yн1/Y0, yе1=Yе1/Y0, yвх=Yвх/Y0 - полные проводимости нагрузки, первого диода и входной проводимости системы, расположенной справа от сечения 1-1 (фиг.2), нормированные по величине Y0.

Откуда видно, что двухдиодная система также состоит из двух частей: сосредоточенной yн1(ω)+yе1(А1,ω) и распределенной yвх(А2,ω).

Поэтому, для исследования влияния параметров распределенной системы между электронными приборами (отрезка линии передачи) на характеристики генератора СВЧ необходимо использовать основные уравнения однородных линий передачи (см. книгу Зернов П.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л. : Энергия. 1972. формулы (6.22), стр.282)
Aи=Aнchγl+IнZoshγl, (2)
Iи=Iнсhγ1+АнYoshγ1, (3)
позволяющие получить аналитический вид характеристических уравнений нелинейной волновой системы, необходимых при анализе ее комплексной частотной функции (см. книгу Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. Л.: Энергия. 1972 г., стр.107), где Аи, Iи, Aн, Iн - комплексные амплитуды напряжений и тока на источнике СВЧ энергии в схеме и ее нагрузке; Z0, Y0=l/Z0 - комплексные волновые сопротивление и проводимость линии.

Так как нелинейная система содержит негатронные приборы, необходимо рассмотреть режим самовозбуждения колебаний и получить характеристическое уравнение автоколебательного режима диодного устройства, описывающее баланс комплексных проводимостей схемы в сечении 3-3 (фиг.1) и в сечении 1-1 (фиг. 2), определяющее условия возможной неустойчивой работы системы в диапазоне частот. Это условие имеет одинаковый вид
для трех диодов
y33=yн3(ωi)+ye3(A3,ωi)+yвxl(Al,ωi)+yвx2(A2,ωi)=0, (4)
и для двух диодов
y11=yн1(ωi)+ye1(A1,ωi) + yвх(А2,ωi)=0, (5)
где ωi - частота автоколебаний, т.е. следовательно, суммарная проводимость yii>0 схемы, работающей в режиме вынужденных колебаний, должна быть больше нуля в любом i-i сечении линии.

Из сопоставления трех- и двухдиодной схем видно, что вторая (фиг.2) является основной частью трехдиодной системы (фиг.1), т.к. содержит все элементы ее схемы: нагрузку, зашунтированную сосредоточенным негатронным прибором, и четырехполюсник - отрезок линии передачи, на конце которого размещен другой негатрон. Поэтому, в дальнейшем достаточно проанализировать характеристики двухдиодной схемы, так как на ее основе можно проектировать многодиодные системы.

Разделяя действительную и мнимую части в равенстве (1б), записываем соотношение для активных и реактивных проводимостей схемы, показанной на фиг.2:
g11=G11/Y0=gн1(ω)+ge1(A1,ω)+gвх(A2,ω)=gн1(ω)+ge(A1,А2,ω), (6)
b11=В11 /Y0=bн1(ω)+be1(ω)+bвх(А2,ω)=bн1(ω)+be(A2,ω), (7)
где gнl; gel; gвx; ge; bнl; bel; bвх; be - активные и реактивные составляющие проводимости нагрyзки и первого диода, входной проводимости системы, расположенной правее сечения 1-1, и двухдиодной структуры, нормированные по волновой проводимости Y0 отрезка линии передачи.

Из условия баланса gll=0 следует, что при самовозбуждении двухдиодного устройства всегда выполняются неравенства
gнl(ωi)+ge1(Al, ωi)>0, gвx(A2,ωi)<0,7 (8)
gн1(ωi)+gвx(A2, ωi)>0, ge1(A1,ωi)<0. (9)
Т. о. , суммарную проводимость "полезной" нагрyзки и первого диода (из соотношения (8)) или нагрузки и входной проводимости распределенной части системы, что следует из условия (9), нужно рассматривать в виде регулируемой нелинейной нагрузки - трансформатора импеданса, изменяющего положительную активную составляющую проводимости суммарной нагрузки в сечении 11 схемы и фиксированной реактивной частью (или регенеративного усилителя), а другой диод, обладающий отрицательной проводимостью - как причину появления в системе автоколебаний, и учесть эти условия в дальнейшем анализе при реализации одного из режимов работы схемы. Второй вариант, описываемый неравенствами (9), используется при выборе в качестве "полезной" нагрузки проводимость gн₂; в сечении 2-2 схемы, когда зависимый внутренний источник энергии СВЧ расположен в сечении 1-1 схемы, и при исследовании проходного режима схемы, так как "полезная" нагрузка, в этом случае, не является одновременно внутренней проводимостью внешнего источника сигнала.

Характеристические уравнения (4), (5), использующиеся для определения устойчивости, бывают высоких порядков или трансцендентными и их решение оказывается затрудненным. Поэтому используем условие Пирса (см. книгу Каганов В. И. СВЧ полупроводниковые радиопередатчики. -М.: Радио и связь, 1981, формула (7.48), с. 208) и метод добавочных колебаний (см. книгу Котельников В. А. , Николаев А.И. Основы радиотехники. Ч.2.-М.: Связьиздат. 1954, 13.2, с. 266-276), которые позволяют судить об устойчивости негатронной модели схемы, не решая характеристического уравнения.

Для схемы (фиг.2) условие устойчивости Пирса имеет вид

(10)
амплитудные и частотные производные составляющих ненормированной комплексной проводимости Y11=G11+jB11 определяем из соотношений (2), (3), причем в выражении (10) производные берутся при величинах А₁ и ω, соответствующих исследуемому стационарному периодическому режиму,
и методом добавочных колебаний, когда условие Пирса выполняется на нескольких частотах ω1, ω2(ωi) и происходит амплитудное ограничение частоты колебаний нелинейного прибора, из которого следует: стационарные колебания, например, на частоте ω1 неустойчивы и возбуждаются колебания частоты ω2, если выполняются соотношения:

так как при амплитудном ограничении частоты колебаний нелинейного прибора, эффективная проводимость для существующего колебания всегда больше, чем для вновь появившегося колебания, где G11 (ω1), G11(ω2) - входные проводимости схемы на частотах ω1, ω2, G110(ω2) - малосигнальная проводимость системы в сечении 11.

Однако, при теоретическом исследовании линий передачи с несколькими (двумя или тремя) нелинейными двухполюсными приборами с отрицательной проводимостью отсутствует возможность совместного анализа линейной и нелинейной частей схемы на зажимах одного из диодов и необходимо знать параметры распределенной системы, состоящей из отрезка длинной линии, нагруженного полупроводниковым двухполюсником с отрицательной проводимостью, зависящей от амплитуды переменного напряжения, являющейся функцией продольной координаты. Нелинейные характеристики таких волновых четырехполюсных диодных систем надо определить.

Проанализируем амплитудную зависимость yвх(А2,ω) распределенной части схемы, расположенной правее зажимов 11, входящую в характеристическое уравнение. При этом, поскольку основной задачей этой части работы является теоретический расчет амплитудной зависимости входной проводимости диодной системы при изменении электрической длины соединительного отрезка линии и параметров отрицательной средней проводимости негатронов, считаем:
в рабочем диапазоне частот: а) негатроны обладают частотно-независимой отрицательной активной составляющей проводимости Ge1<0, Ge2<0 (dGe1/dω)=0, dGe2/dω= 0), нелинейно зависящей от соответствующей амплитуды Al, A2 СВЧ напряжения на двухполюсном приборе, б) реактивные составляющие проводимости
Ве1, Ве2 негатронов, оконечных нагрyзок Вн1, Вн2 и частотные производные dBel/dω, dBнl/dω, dBe2/dω, dBе2/dω равны нулю;
Сн1, Gн2 (dGнl/dω= dGн2/dω=0) - частотно-независимые активные проводимости "полезной" нагрузки и дополнительной нагрузки на концах отрезка длинной линии.

Следовательно, концевые двухполюсники рассматриваются как сосредоточенные элементы, проводимости которых зависят от амплитуды СВЧ напряжения на них, а отрезок однородной линии передачи, связывающей диоды, является линейной системой с распределенными параметрами, поэтому исследуемая суммарная диодная микроволновая конструкция является четырехполюсным нелинейным волновым устройством.

В этом случае соотношения (2), (3), (5) упрощаются и принимают вид
Aи=Aнсosβl+jнZosinβ1, (2a)
Iи=Iнcosβl+jAнYosinβ1, (3а)
b11=bвx(A2,ω) (5а)
Эквивалентная схема распределенной части исследуемого генератора приведена на фиг.3, где: G2=Gе2+Gн2 - суммарная проводимость двухполюсного элемента в сечении 2-2 схемы; Ybx - входная проводимость участка схемы, справа от сечения 1-1; А1 - амплитуда СВЧ напряжения на входе четырехполюсника: 1 - длина отрезка однородной линии передачи; Y0, β - волновая проводимость и фазовая постоянная распространения волны в линии передачи.

Относительная комплексная входная проводимость yвх=Yвх/У0 распределенной части генератора равна

где g2=G2/Y0=ge2+gн2, ge2=Ge2/Y0, gн2=Gн2/Y0- нормированные проводимости двухполюсников, θ = β1 - электрическая длина отрезка линии;
действительная gвx и мнимая bвх части ее имеют вид

из формул (12), (13) следует, что активная, реактивная и полная проводимости схемы зависят от амплитуды А2 колебаний на двухполюсном приборе.

Частотные и амплитудные производные величин gвx и bвх равны

Соотношения (13)-(17) характеризуют в общем виде амплитудные и частотные зависимости входной проводимости распределенной части конструкции и необходимы при исследовании возможных неустойчивых состояний в нелинейной четырехполюсной цепи, которые при соответствующих условиях приводят к возбуждению незатухающих колебаний в генераторе СВЧ.

Из выражений (13)-(17) следует, что активная и реактивная составляющие входной проводимости yвх - частотно и амплитудно-зависимые функции, изменяющие свой знак при вариации параметров двухполюсника g2 и волновой проводимости соединительной линии. Например, знак частотных производных dgвx/dω, dbвх/dω (14), (15) определяется величинами g2², g2²tg²θ в сравнении с единицей (характеризующей волновую проводимость Y0), а амплитудные производные dgвx/dAl², dbвx/dAl² (16), (17), дополнительно, значениями dA2²/dAl², dg₂/dA2².

Поэтому, при анализе методом двух yзлов многодиодных генераторов необходимо: каждую четырехполюсную систему с электронным прибором представить негатронной моделью, заменив ее эквивалентным сосредоточенным нелинейным двухполюсником в сечении 1-1 (фиг.3) и определить в явном виде зависимости компонент комплексной входной проводимости системы от амплитуды А1 колебаний СВЧ напряжения на ее "полезной" нагрyзке, учесть влияние режима работы устройства, найти производные dA2²/dA1², входящие в соотношения (16), (17).

В автоколебательном режиме схемы, рассматривая отрицательную проводимость второго негатрона (в сечении 2-2 схемы на фиг.3) в качестве зависимого источника энергии, когда реализуются неравенства g2< 0, ge2< 0, и, воспользовавшись уравнением однородных линий передачи без потерь, получим, что амплитуды Al, A2 связаны соотношением
A2²=Al²[cos²θ+gl²sin²θ], (18)
а приращение функции A2² от приращения аргумента Al² имеет вид
dA2²=[cos²θ+gl²sin²θ]dAl², (19)
в котором нормированная проводимость gl=G1/Y0 "полезной" нагрузки в сечении 11 схемы является амплитудно-независимой положительной функцией.

Подставляя (18) в выражения (13), можно найти в аналитическом виде амплитудные трансцендентные зависимости составляющих gвх=f(θ,Al) и bвх=f(θ,А1) входной проводимости диодной системы от электрической длины проводника и амплитуды СВЧ напряжения на входе четырехполюсника.

Из выражений (13)-(19) следует, что в автоколебательном режиме:
1) распределение СВЧ напряжения вдоль металлического проводника системы обусловлено величинами относительных проводимостей g2 и gl двухполюсников; 2) производная dA2²/dA1²>0 всегда больше нуля.

Таким образом, приведенные соотношения позволяют рассчитать амплитудно и частотно-зависимые входные параметры четырехполюсника, состоящего из двух (пассивного и активного) двухполюсных элементов, соединенных отрезком линии передачи; амплитудные производные dgвх/dAl² и dbвх/dAl² могут быть больше или меньше нуля в различных сечениях соединительной длинной линии при фиксированных значениях частоты колебаний и производной dge2/dA2².

Рассмотрим амплитудные зависимости резонансной входной yвxi проводимости четырехполюсной диодной системы в автоколебательном режиме, подключенной к первому негатрону, размещенному в сечении "полезной" нагрузки, когда нелинейная зависимость средней проводимости негатрона от амплитуды А2 СВЧ напряжения на нем определяется соотношением Ge2(A2)=-Geo2(l-x), где Gео2 - малосигнальная активная проводимость двухполюсного прибора; x=νA2² - амплитудный параметр, ν - размерный коэффициент нелинейности.

Резонансные параметры нелинейного волнового устройства находим, приравнивая нулю выражение (13) для реактивной проводимости
bвхi(А2,ω)=0, (20)
и вычисляя корни уравнения (20), определяющие значения собственных частот ωi системы. Из формул (13) видно, что условие (20) реализуется в двух случаях (i= 1,2): 1) при значениях θ1n=π(n+1); 2) когда электрическая длина θ2n= π(n+1/2) системы, соответствующих колебаниям резонатора между двухполюсниками вида (n+1)λ/4 и (n+1)λ/2, где λ - длина волны генерируемых колебаний; выбор коэффициента n=0, 1, 2, ..., характеризующего основной топ, первый, второй и т.д. обертоны, обусловлен величиной θ и частотной областью существования отрицательной проводимости диода, зависящей от параметров используемого негатрона. При заданном значении n система может резонировать в двух режимах на частотах ω1n= π(n+1)vф/1 (колебания вида λ/2 системы), ω2n= π(n+1/2)vф/1 (колебания вида λ/4 системы) (vф - фазовая скорость волны в линии) и рассматриваемый элемент конструкции в сечении 1-1 схемы на каждом виде колебаний эквивалентен двум колебательным контурам с сосредоточенными амплитудно-зависимыми параметрами, одновременно подключенным к "полезной" нагрузке. (Напомним, что под колебаниями вида λ/4 подразумевается колебание, при котором электрическая длина резонатора кратна четверти длины волны (θ2n= π(n+1/2)), а под колебанием вида λ/2 - половине длины волны (θ1n=π(n+1)) (см. книгу Плодухин Б.В. Коаксиальные диапазонные резонаторы, М.: Сов.радио. 1956, с.15).

Резонансная амплитудно-зависимая действительная составляющая входной проводимости системы gвxin определяется величиной суммарной проводимости g2 двухполюсника в сечении 2-2 схемы; gвxin всегда отрицательная (когда g2<0) и на каждой резонансной частоте ωin попеременно принимает наибольшее и наименьшее значения относительно единицы в зависимости от варьируемой величины |g2(A2)|, которая может быть больше или меньше 1, т.к. из выражения (13) следует: в первом случае (при ωin=ωln) - проводимость gвxl=g2(A2), а во втором случае (когда ωin=ω2n) - gвx2=l/g2(A2).

Подставляя эти равенства и резонансные значения θ1 и θ2 в выражение (15), находим амплитудные зависимости частотных производных

величины и знак которых определяются абсолютными значениями относительной проводимости суммарного двухполюсника в сечении 2-2 схемы, малосигнальной проводимости диода и амплитуды СВЧ напряжения на нем.

С другой стороны, при исследовании автоколебательного режима схемы равенство (20) необходимо дополнить уравнением баланса активных проводимостей gl= -gвxin. Учитывая это уравнение в соотношениях (21), (22), находим, что производные dbвxln/dω=dbвx2n/dω на собственных частотах ωin одинаково зависят от проводимости нагрyзки следующим образом
dbвxin/dω=(l-gl²)l/vф. (23)
Из выражения (23) видно: 1) величина dbвxin/dω пропорциональна разности между 1 и квадратом относительной проводимости нагрузки, 2) при нагрузке gl<l - частотные
производные dbвxin/dω>0 принимают положительные значения, если проводимость gl>l производная dbвxin/dω<0 - отрицательна.

При рассмотрении второго негатрона в качестве зависимого источника, расположенного в сечении 2-2 схемы, из формул (18), (19) находим связь амплитуд A2^2:= f(A1²); на частотах ω1n: A2²=A1² (dA2²/dA1²=l) - связь между амплитудами А2² и А1² - прямо пропорциональная, а на частотах ω2n: A2²= A1²gl² (dA2²/A1²= gl²) зависимость характеризуется линейной функцией с угловым коэффициентом gl².

Используя эти равенства в выражении (13), получим зависимости резонансной входной проводимости распределенной многомодовой системы с оконечным активным двухполюсником от амплитуды СВЧ напряжения в сечении 1-1:
для колебаний θ1n=π(n+l)
gвx1n=g2=-[ge02(1-νA1²)-gн2], (24)
для колебаний θ2n=π(n+1/2)

Графики модуля входной проводимости gвxin и проводимости ge2 негатрона в зависимости от параметров geo2 и х, при нагрузке gн2=0, представлены на фиг. 4 (ν>0), фиг.5 (ν<0): для частот ω1n - фиг.4а, фиг.5а; для частот ω2n (при проводимости нагрузки gl= 0,9) - фиг. 4б, фиг.5б. Из формул (24), (25) и графиков (фиг. 4, 5) видно, что на частотах ωin величина и знак нелинейной трансформированной проводимости gвxln(Al) соответствуют параметрам ge2(A2) негатрона, во втором режиме (ω2n) - амплитудные характеристики gвxin меняются и зависят от нагрузки, расположенной в сечении 1-1, т.е. параметр нелинейности амплитудной зависимости проводимости gвx2n(Al) четырехполюсника дополнительно регулируется величиной gl, которая выбирается, например, из условия "оптимальной" нагрузки схемы, а малосигнальное значение входной проводимости gвx2n уменьшается с ростом величины geo2. Существенным отличием исследуемой диодной системы от известных схем является возможность перестройки видов колебаний в нем путем регулировки амплитуд А1, А2 с помощью проводимостей G1, G2 оконечных двухполюсных элементов относительно параметра Y0, величины которых определяются режимом работы схемы.

Для проверки полученных результатов необходимо оценить наибольшее значение мощности Р1=Р1м, отдаваемой негатроном в нагрузку Gl, которое не зависит от методики анализа распределенной колебательной системы без потерь и позволяет провести сопоставление с известными данными. Например, воспользовавшись уравнением баланса активных проводимостей схемы в сечении 1-1, формулами (24), (25) и соотношениями Pl=GlAl²/2, dPl/dGl=0 (соответствующими "оптимальной" нагрузке G1опт), получаем величину Plм=Ge02/8ν (если проводимость gн2= 0 и параметр ν>0), реализуемую при оптимальном значении G1опт= Gе02/2 для частот ω1n и Gloпт=2Y0²/Ge02 для частот ω2n. Следовательно, в обоих режимах работы устройства мощность Р1м одинакова и соответствует максимальному значению мощности диодного генератора, рассчитанному на зажимах активного двухполюсника (сечение 2-2 схемы). Один и тот же однодиодный генератор имеет разную "оптимальную" величину нагрузки, если параметр ν нелинейности средней проводимости Ge негатрона меняет свой знак. При использовании четвертьволнового режима работы резонатора генератора и негатронов с разным типом колебательной характеристики оконечных нелинейных элементов (например, νl>0, ν2<0 или наоборот), зависимости средней проводимости сосредоточенного двухполюсного элемента и средней входной проводимости распределенной части системы, в сечении "полезной" нагрузки, имеют одинаковый характер (например, ν1>0, νвx>0 или наоборот), что позволяет одновременно реализовать условия оптимальной работы для каждого негатрона в системе.

Таким образом, колебательные контуры предлагаемого генератора СВЧ образованы двумя соседними полупроводниковыми диодами, включенными параллельно в линию передачи СВЧ и расположенными на определенном расстоянии друг от друга, соизмеримом с длиной волны колебаний в системе. Диоды вносят в схему устройства комплексные проводимости с отрицательной вещественной частью, зависящие от амплитуды напряжения на них. Для реализации стационарного режима генерации необходимо выполнение баланса комплексных проводимостей в схеме устройства и условия устойчивости стационарного процесса в нелинейной системе на рабочей частоте. При изменении электрической длины отрезка линии передачи между двухполюсными элементами, малосигнальной проводимости диодов и СВЧ напряжения на них в сечении "полезной" нагрyзки генератора может меняться характер нелинейных и частотных зависимостей входного импеданса распределенной системы. При фиксированном размере этих отрезков линии передачи система резонирует на двух основных собственных частотах, которым соответствует определенный вид нелинейных зависимостей ее входного импеданса от амплитуды СВЧ напряжения в начале линии на "полезной" нагрyзке генератора. Значения собственных частот, характеризующих высокочастотный (если электрическая длина каждого резонатора между соседними двухполюсниками, образованного отрезком линии передачи, нагруженного с обоих концов проводимостью негатронов и нагрyзки, равна π) и низкочастотный (если электрическая длина резонатора между соседними двухполюсниками равна π/2) резонансы системы, зависят от амплитуды напряжения в линии, проводимости диодов и нагрузки. Из условия баланса активных составляющих проводимостей схемы следует, что в исследуемом резонаторе генератора "полезную" нагрyзку и первый негатрон (ближайший к выходу) необходимо рассматривать в виде суммарного двухполюсника с положительной амплитудно-зависимой активной составляющей проводимости (регенеративного усилителя), а остальную часть системы - двухполюсником, обладающим отрицательной проводимостью в качестве основного источника энергии СВЧ в схеме. Генерация на первой основной частоте (при высокочастотном резонансе) возникает, если величина проводимостей концевых двухполюсников соизмеримы друг с другом и меньше (или больше) волновой проводимости соединительной линии, что реализуется в известных конструкциях генераторов. Автоколебания на второй основной частоте (при низкочастотном резонансе) существуют, когда одна из этих проводимостей больше, а другая меньше, чем основная проводимость линии связи диодов. Для увеличения уровня выходной мощности необходимо реализовать суммирование отрицательных проводимостей активных двухполюсников системы с одним типом колебательной характеристики (или амплитудной зависимости проводимости ge и gвx от амплитуды А1) в сечении "полезной" нагрузки устройства. Увеличение выходной мощности генератора происходит: 1) в первом (высокочастотном) режиме, если применяются двухполюсники с одинаковым типом колебательной характеристики и величина модуля активной составляющей комплексной проводимости каждого двухполюсника с ростом амплитуды СВЧ напряжения на нем только уменьшается или растет, 2) а во втором (низкочастотном) режиме при использовании соседних двухполюсников с разным типом колебательной характеристики - величина модулей активных составляющих комплексной проводимости при yвеличении амплитуды СВЧ напряжения одного из них уменьшается, а другого - возрастает, т.к. при трансформации амплитудно-зависимой проводимости второго диода она принимает такой же вид, как у первого диода. Изменение режима работы схемы и значений генерируемой частоты происходит скачком при проводимости оконечных суммарных двухполюсников, согласованной с волновой проводимостью линии передачи резонатора.

Подбирая параметры диодов согласно вышеперечисленным требованиям, можно реализовать устойчивый одночастотный автоколебательный режим на первой или второй собственных частотах резонатора. В известных конструкциях аналогичных генераторов реализован первый режим, а в предлагаемом генераторе СВЧ - второй режим работы устройства. Это позволяет размещать диоды одновременно в максимумах и минимумах стоячей волны напряжения вдоль линии передачи
Использование арсенид-галлиевых туннельных диодов (ТД) позволяет наиболее просто реализовать необходимый режим работы генератора СВЧ полосковой конструкции, т. к. модуль отрицательной проводимости таких приборов пропорционален максимальному току вольтамперной характеристики (ВАХ) ТД.

В соответствии с вышеизложенным необходима следующая методика проектирования такого двухдиодного генератора СВЧ (или двухдиодной ячейки многодиодного генератора):
1) выбираем волновую проводимость линии передачи между диодами, равную Y0= 1/Z0=0,02 См, что позволяет реализовать колебательную систему генератора на отрезках стандартной коаксиальной линии разной длины,
2) считаем, что а) "полезной" нагрyзкой генератора является стандартная 50 Ом нагрузка, согласованная с волновым сопротивлением отрезка линии, подключенная в сечении 1-1 схемы; выбор такой нагрузки обеспечивает отсутствие влияния цепи связи диодов с ней в широком диапазоне частот, б) проводимость второй нагрузки равна нулю, т.к. второй диод подключен к разомкнутому концу полосковой линии;
3) воспользовавшись графиками (фиг.6) (см. книгу: Генераторы гармонических колебаний на туннельных диодах// Под ред. B.C. Андреева, М., Энергия, 1972, рис. 2.6, с. 38) нормированных характеристик средней проводимости туннельных диодов, выбираем в качестве первого двухполюсника диод типа АИ101Е с максимальным током 5 мА, а второго диода АИ201Л с максимальным током 100 мА. Оба диода имеют одинаковые геометрические размеры корпуса, поэтому применение разных ТД не влияет на конструкцию генератора СВЧ. Нелинейная зависимость средней проводимости обоих диодов может характеризоваться соотношением Gei=Ge0i(1-viAi²), в котором параметр нелинейности vl>0 первого диода должен быть больше нуля (что реализуется при постоянном напряжении смещения U0≤0,25 B), а параметр v2<0 второго диода должен быть отрицательным (что является справедливым для постоянного напряжения смещения U0≥0,3 B).

Кроме того, одновременно реализуются условия:
1) малосигнальная проводимость |Ge10|<4•10^-3 См (т.е. проводимость диода Gei=Ge0i при амплитуде Ai--> 0) и, соответственно, значение |Ge1|<4•10^-3 См, что существенно меньше волновой проводимости Y0 отрезка коксиала, т.е. выполняется необходимое условие gl< l. Это всегда обеспечивает, в соответствии с формулой (23), величину частотных производных dbвxin /dω > 0 и dbΣ/dω > 0, где bΣ =bвхin+b1 - суммарная нормированная реактивная проводимость первого двухполюсника в сечении 1 -1, так как значение dbl /dω>0 определяется емкостью первого диода;
2) малосигнальная проводимость |Ge20|>0,05 См второго диода, следовательно, всегда выполняются неравенства |Ge2|>0,05 См и параметр g2 > l.

Одновременное выполнение вышеперечисленных условий обеспечивает реализацию режима суммирования мощности генерируемой обоих диодов и устойчивость генерации при λ/4 виде колебаний в системе.

Предлагаемое изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.7 приведена трехдиодная конструкция генератора СВЧ, а на фиг.8 - двухдиодная конструкция генератора СВЧ, где: 1 - отрезок коаксиала, 2 - коаксиально-полосковый переход, 3, 4, 5 - диоды с отрицательной проводимостью, 6 - экранирующий корпус секции, 7 - крышка корпуса, 8 - разъем ввода питания, 9 - слюдяной конденсатор (цепи питания диодов постоянным током показаны на фиг. 8). На фиг.8 крышка правого корпуса секции не показана.

Генератор СВЧ представляет собой три (фиг.7) или две (фиг.8) отдельные диодные секции симметричной полосковой конструкции, последовательно соединенные между собой отрезком коаксиала 1 определенной длины через коаксиально-полосковые переходы 2. Диоды с отрицательной проводимостью 3, 4, 5 установлены внутри экранирующих корпусов 6 секции и непосредственно-кондуктивно подключены к центральным проводникам полосковых линий без дополнительных трансформирующих элементов и резонаторов. Расстояние между диодами меняется дискретно путем подключения коаксиальных линий связи разной длины между секциями. На крышках 7 корпусов размещены разъемы 8 вводов питания диодов. Слюдяные конденсаторы 9 обеспечивают возможность раздельной регулировки напряжения питания на каждом диоде. "Полезная" нагрузка (термисторная головка с коаксиальным разъемом) присоединена к секции с диодом 3, а диод 5 включен в обрыв полосковой линии.

На фиг.9 приведена эквивалентная схема цепи стабилизации, используемой в генераторе. Каждый диод шунтировался безиндуктивным пленочным сопротивлением rш, имеющим величину до 10 Ом и емкостью Сш=100 пФ, выполненной в виде слюдяного конденсатора 10 (см. фиг. 8).

Необходимый второй режим работы устройства обеспечивается соответствующим выбором типа применяемых двухполюсных приборов и регулировкой напряжения питания постоянным током диодов так, чтобы негатроны с разными колебательными характеристиками чередовались, вариацией величины проводимости нагрузки и параметров отрезков коаксиальных линий передачи. Генерация наблюдается только при совместном включении диодов, а частота автоколебаний зависит от длины отрезков линий передачи, включенных между приборами, и величины проводимости нагрузки. Максимальная выходная мощность системы равна суммарному значению колебательной мощности однодиодных генераторов на этих диодах, так как в этом режиме отрицательные проводимости активных полупроводниковых приборов складываются. При удлинении резонатора - отрезка линии передачи, заключенного между диодами, частота автоколебаний уменьшается.

Использование диодов с отрицательной проводимостью, установленных как в минимумах, так и в максимумах стоячей волны напряжения в линии передачи, выгодно отличает предлагаемый генератор СВЧ от указанного прототипа, так как в результате yвеличивается в ΣPk/ΣPm раз выходная мощность генератора СВЧ, аналогичных габаритов и веса, где ΣPk - суммарная мощность k диодов в заявляемом генераторе, ΣPm - суммарная мощность m диодов в прототипе.

Claims

Генератор СВЧ, содержащий m-двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, установленных параллельно и периодически вдоль полосковой линии передачи в максимумах стоячей волны СВЧ напряжения, отличающийся тем, что n-двухполюсных приборов с отрицательной проводимостью, размещены параллельно и периодически вдоль полосковой линии передачи в минимумах стоячей волны СВЧ напряжения, при этом соседние двухполюсные приборы выполнены с разным типом колебательной характеристики, при которой величина модулей активных составляющих комплексной проводимости при увеличении амплитуды СВЧ напряжения одного из них уменьшается, а другого - возрастает, а расстояние между двухполюсными приборами с отрицательной проводимостью меняется дискретно путем подключения коаксиальных линий связи разной длины, где m = 1,2,3... и n =1,2,3.. .