RU2336625C1

RU2336625C1 - Uhf auto-generator

Info

Publication number: RU2336625C1
Application number: RU2007120560/09A
Authority: RU
Inventors: Андрей Борисович Козырев (RU); Андрей Борисович Козырев; Олег Юрьевич Буслов (RU); Олег Юрьевич Буслов; Александр Алексеевич Головков (RU); Александр Алексеевич Головков; Владимир Николаевич Кейс (RU); Владимир Николаевич Кейс; Алексей Юрьевич Шимко (RU); Алексей Юрьевич Шимко; Дэвид Гинли (US); Дэвид Гинли; Тать на Кайданова (US); Татьяна КАЙДАНОВА
Original assignee: Андрей Борисович Козырев
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-10-20

Abstract

FIELD: physics, radio.

SUBSTANCE: invention concerns radio electronics and can be applied as reconfigurable generator in UHF frequency synthesisers, as independent radio transmitter in location and data transfer systems, and in active phased grids in car crash prevention systems. The device includes dielectric substrate (1) with lower surface cladding (2) and round hole (3) in it, forming flat dielectric resonator; auto-generator layout on the non-clad substrate surface, including U-shaped microstrip line (4) broken at one end and connecting flat dielectric resonator and semiconductor generating element (5); frequency control system of flat dielectric resonator, including varicap (9) installed between two microstrip line (7, 8) sections, one (7) of which is short-circuited at the second end; and metal screens (11, 12) connected electrically to the substrate (1) cladding (2).

EFFECT: possibility of UHF signal generation with stable frequency and signal tuning by electronic methods, and simplified generator construction.

3 cl, 3 dwg

Description

Устройство относится к области радиоэлектроники и представляет собой СВЧ-автогенератор, который может использоваться в качестве перестраиваемого генератора в СВЧ-синтезаторах частоты, как самостоятельный радиопередатчик в системах локации и передачи информации, а также в системах предупреждения столкновений автомобилей, активных фазированных антенных решетках, когда активные модули решетки выполняют одновременно функции генерирования и модуляции СВЧ-колебаний; а также во многих других случаях, когда необходима генерация СВЧ-сигналов с угловой модуляцией с быстрым изменением частоты сигнала.The device relates to the field of radio electronics and is a microwave oscillator that can be used as a tunable generator in microwave frequency synthesizers, as an independent radio transmitter in location and information transmission systems, as well as in collision avoidance systems for cars, active phased antenna arrays, when active lattice modules simultaneously perform the functions of generating and modulating microwave oscillations; as well as in many other cases when it is necessary to generate microwave signals with angular modulation with a fast change in the signal frequency.

Известны автогенераторы СВЧ-сигнала с электронной перестройкой частоты, в которых для стабилизации частоты автогенератора используются планарные диэлектрические резонаторы, позволяющие сравнительно просто реализовать систему электронной перестройки частоты диэлектрического резонатора. Планарные диэлектрические резонаторы могут изготавливаться методами печатной технологии в едином технологическом цикле с остальными элементами топологии автогенератора, что существенно упрощает их реализацию. Такие устройства описаны, например, в европейском патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. Н01Р 1/20), опубликованном 14.06.2006 (Bulletin 2006/24), в японском патенте JP 2006050334 (Кл. Н01Р 7/10), опубликованном 16.02.2006, в патенте США US 20040021531 A1, опубликованном 5.02.2004, а также в статье K.Sakamoto, Т.Kato, S.Yamashita, Y.Isikawa "A Millimeter Wave DR-VCO on Planar Type Dielectric Resonator with Small Size and Low Phase Noise" - IEICE TRAN. ELECTRON., VOL.E82-C, NO1, 1999, p.119. Однако эти автогенераторы содержат в своем составе две диэлектрические подложки, одна из которых служит для реализации топологии автогенератора, а другая для изготовления планарного диэлектрического резонатора, что приводит к усложнению и увеличению числа технологических циклов.Microwave signal oscillators with electronic frequency tuning are known in which planar dielectric resonators are used to stabilize the frequency of the oscillator, making it relatively easy to implement a system of electronic tuning of the frequency of the dielectric resonator. Planar dielectric resonators can be manufactured by printing technology in a single technological cycle with the remaining elements of the topology of the oscillator, which greatly simplifies their implementation. Such devices are described, for example, in European patent EP 1670091 A1 (Cl. H01P 1/20) published on 06/14/2006 (Bulletin 2006/24), in Japanese patent JP 2006050334 (Cl. H01P 7/10), published on 02.16.2006 , in US Pat. No. 20040021531 A1, published February 5, 2004, and also in K.Sakamoto, T.Kato, S. Yamashita, Y. Isikawa "A Millimeter Wave DR-VCO on Planar Type Dielectric Resonator with Small Size and Low Phase Noise "- IEICE TRAN. ELECTRON., VOL.E82-C, NO1, 1999, p. 119. However, these oscillators contain two dielectric substrates, one of which serves to implement the topology of the oscillator, and the other for the manufacture of a planar dielectric resonator, which complicates and increases the number of technological cycles.

Известны также фильтры СВЧ на основе планарных диэлектрических резонаторов, представляющих собой диэлектрическую подложку с одно- или двухсторонней металлизацией, в которой имеется круглое или квадратное отверстие. Планарные диэлектрические резонаторы имеют высокую добротность, при этом сравнительно просто выполняются с помощью печатных технологий. Собственная добротность таких резонаторов достигает несколько тысяч. Фильтры с такими резонаторами описаны, например, в работах T.Hiratsuka and etc. "K-band Planar Type Dielectric Resonator Filter with High-ε Ceramic Substrate"; H.Blondeaux and etc. "Radiant Microwave Filter for Telecommunications Using High Qu Dielectric Resonator" - Proceedings of 30^th European Microwave Conference - Paris 2000; H.Blondeaux and etc. "Microwave Device Combining Filtering and Radiating Functions for Telecommunication Sattellites".Microwave filters based on planar dielectric resonators, which are a dielectric substrate with one or two-sided metallization, in which there is a round or square hole, are also known. Planar dielectric resonators have a high quality factor, while it is relatively easy to perform using printing technology. The intrinsic Q factor of such resonators reaches several thousand. Filters with such resonators are described, for example, in T. Hiratsuka and etc. "K-band Planar Type Dielectric Resonator Filter with High-ε Ceramic Substrate"; H. Blondeaux and etc. "Radiant Microwave Filter for Telecommunications Using High Qu Dielectric Resonator" - Proceedings of 30 ^th European Microwave Conference - Paris 2000; H. Blondeaux and etc. "Microwave Device Combining Filtering and Radiating Functions for Telecommunication Sattellites."

Конструкция автогенератора, описанная в патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. Н01P 1/20), является наиболее близкой по совокупности существенных признаков.The design of the oscillator described in patent EP 1670091 A1 (CL. H01P 1/20), is the closest in combination of essential features.

Известное устройство содержит две диэлектрических подложки, расположенных друг под другом. На верхней поверхности первой из подложек изготовлена топология автогенератора, содержащая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, подключенные к полупроводниковому генерирующему элементу отрезки микрополосковых линий для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором и вывода СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, а также систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора в виде отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения, нагруженной на одном конце на подключенный к заземленной металлизации варикап. Для предотвращения возникновения паразитных колебаний при использовании в качестве полупроводникового генерирующего элемента транзистора ко второму концу отрезка микрополосковой линии связи с планарным диэлектрическим резонатором подключен балластный резистор.The known device contains two dielectric substrates located one below the other. On the upper surface of the first of the substrates, an oscillator topology is made containing a semiconductor generating element with a power supply circuit, segments of microstrip lines connected to the semiconductor generating element for coupling the generating element with a planar dielectric resonator and outputting the microwave signal to a matched load, as well as a planar frequency control system dielectric resonator in the form of a piece of microstrip line with a bias supply circuit, loaded at one end to connect Suitable for grounded metallization varicap. To prevent the occurrence of spurious oscillations when using a transistor as a semiconductor generating element, a ballast resistor is connected to the second end of a segment of a microstrip communication line with a planar dielectric resonator.

Нижняя поверхность первой подложки металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, через которое осуществляется связь упомянутых отрезков микрополосковых линий с планарным диэлектрическим резонатором, выполненным на второй подложке.The lower surface of the first substrate is metallized and a circular hole is made in the metallization through which said segments of microstrip lines are connected with a planar dielectric resonator made on the second substrate.

Вторая диэлектрическая подложка также выполнена с двусторонней металлизацией, соединенной с землей. В центре второй подложки в обоих слоях металлизации выполнены круглые одинаковые соосные отверстия, образующие планарный диэлектрический резонатор. Оба проводника микрополосковых линий, выполненных на первой подложке, расположены параллельно по хордам отверстий в металлизациях второй подложки, образующих планарный диэлектрический резонатор. Микрополосковые линии связаны с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля. Поскольку микрополосковая линия связи проходит по хорде отверстий в металлизации на поверхностях второй диэлектрической подложки, то она возбуждает в планарном диэлектрическом резонаторе резонансные колебания волн типа ТЕ₀₁₀.The second dielectric substrate is also made with bilateral metallization connected to the ground. In the center of the second substrate in both layers of metallization are made round identical coaxial holes forming a planar dielectric resonator. Both conductors of microstrip lines made on the first substrate are arranged parallel to the chords of the holes in the metallizations of the second substrate, which form a planar dielectric resonator. Microstrip lines are connected to a planar dielectric resonator due to the electromagnetic field. Since the microstrip communication line runs along the chord of holes in the metallization on the surfaces of the second dielectric substrate, it excites resonant waves of the TE ₀₁₀ type in a planar dielectric resonator.

Обе подложки заключены в металлизированные экраны, соединенные с металлизацией на нижней поверхности первой подложки.Both substrates are enclosed in metallized screens connected to metallization on the lower surface of the first substrate.

Однако это устройство имеет тот недостаток, что в нем используются отдельные диэлектрические подложки для реализации схемы автогенератора с электронной перестройкой и планарного диэлектрического резонатора, что усложняет конструкцию, увеличивает стоимость и затрудняет настройку автогенератора, поскольку подложки необходимо совмещать с высокой точностью.However, this device has the disadvantage that it uses separate dielectric substrates for implementing an electronically tuned oscillator circuit and a planar dielectric resonator, which complicates the design, increases the cost, and makes it difficult to configure the oscillator, since the substrates must be combined with high accuracy.

Таким образом, решаемой задачей является создание устройства при изготовлении которого используется упрощенная технология изготовления и настройка автогенератора.Thus, the task to be solved is to create a device in the manufacture of which uses a simplified manufacturing technology and tuning the oscillator.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство, также как и известное, содержит диэлектрическую подложку, одна из поверхностей которой металлизирована и в металлизации выполнено круглое отверстие, а на второй поверхности выполнена топология СВЧ-автогенератора, включающая полупроводниковый генерирующий элемент с цепью подачи питания, к которому подключены отрезок микрополосковой линии для связи генерирующего элемента с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля и отрезок микрополосковой линии для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку, систему управления частотой упомянутого планарного диэлектрического резонатора, включающую отрезок микрополосковой линии передачи с цепью смещения и варикапом, а также верхний и нижний металлические экраны. Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом СВЧ-автогенераторе диаметр отверстия в металлизации выбран из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора, в систему управления частотой планарного диэлектрического резонатора введен второй отрезок микрополосковой линии, короткозамкнутый на одном из концов, а варикап подключен в зазоре между первым и вторым отрезками микрополосковых линий, причем оба отрезка микрополосковых линий системы управления частотой расположены по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, микрополосковая линия связи планарного резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом расположена на неметаллизированной поверхности подложки и касается окружности проекции отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки.The problem is solved due to the fact that the proposed device, as well as the known one, contains a dielectric substrate, one of the surfaces of which is metallized and a round hole is made in metallization, and the topology of a microwave oscillator including a semiconductor generating element with a power supply circuit is made on the second surface to which a segment of a microstrip line is connected for coupling a generating element with a planar dielectric resonator due to an electromagnetic field and a segment of microstrip a line for outputting microwave energy to a matched load, a frequency control system for said planar dielectric resonator, including a segment of a microstrip transmission line with an offset circuit and a varicap, as well as upper and lower metal screens. But, unlike the known device, in the proposed microwave oscillator, the diameter of the hole in the metallization is selected to ensure resonance at the operating frequency of the oscillator, the second segment of the microstrip line, short-circuited at one end, is inserted into the frequency control planar dielectric resonator, and the varicap is connected to the gap between the first and second segments of the microstrip lines, and both segments of the microstrip lines of the frequency control system are located along the axis passing through the center of the projection the circumference of the hole in the metallization on the second surface of the substrate, the microstrip link of the planar resonator with the semiconductor generating element is located on the non-metallic surface of the substrate and touches the circumference of the projection of the hole in the metallization on the second surface of the substrate.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в упрощении реализации СВЧ-автогенератора, так как в нем планарный диэлектрический резонатор и топология автогенератора изготовлены на одной диэлектрической подложке и соответственно не возникает проблем с точной юстировкой положения резонатора относительно микрополосковой линии связи резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом и с отрезком микрополосковой линии системы управления частотой автогенератора. Частота генерируемого СВЧ-сигнала может изменяться электронным способом за счет изменения напряжения на варикапе, что позволяет выполнять угловую модуляцию генерируемого СВЧ-сигнала. Микрополосковая линия связи планарного диэлектрического резонатора с полупроводниковым генерирующим элементом, расположенная по касательной к проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, позволяет возбудить в планарном диэлектрическом резонаторе основной тип колебания волн типа НЕМ₁₁, Такое расположение микрополосковой линии связи с резонатором, вне полости резонатора, позволяет уменьшить воздействие линии на структуру поля в резонаторе, тем самым сохраняя его собственную добротность и обеспечивая лучшую стабильность частоты генератора.The technical result achieved by this solution is to simplify the implementation of the microwave oscillator, since the planar dielectric resonator and the oscillator topology are made on the same dielectric substrate and, accordingly, there are no problems with the exact alignment of the resonator relative to the microstrip communication line of the resonator with the semiconductor generating element and with a piece of microstrip line frequency control system of the oscillator. The frequency of the generated microwave signal can be changed electronically by changing the voltage across the varicap, which allows angular modulation of the generated microwave signal. The microstrip communication line of the planar dielectric resonator with the semiconductor generating element, located tangentially to the projection of the hole circumference in the metallization onto the second surface of the substrate, makes it possible to excite the main type of HEM ₁₁ wave oscillation in the planar dielectric resonator. This arrangement of the microstrip communication line with the resonator is outside the cavity of the resonator , reduces the effect of the line on the field structure in the resonator, thereby preserving its own Q factor and providing comfortable oscillator frequency stability.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 2 формулы изобретения, характеризует СВЧ-автогенератор, в котором в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе используется диод Ганна, а микрополосковая линия связи планарного резонатора с диодом Ганна выполнена U-образной и разомкнута на свободном конце.The combination of features set forth in paragraph 2 of the claims characterizes a microwave oscillator, in which a Gunn diode is used as a semiconductor generating element in the oscillator, and the microstrip link of the planar resonator with the Gunn diode is made U-shaped and open at the free end.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что U-образный изгиб линии связи позволяет максимально удалить разомкнутый конец линии, на котором будет возникать пучность напряжения, от планарного диэлектрического резонатора и тем самым уменьшить влияние полупроводникового генерирующего элемента и линии связи на распределение поля в резонаторе, что препятствует возникновению вырожденного ортогонального колебания в нем и позволяет сохранить его добротность, а значит и стабильность частоты сигнала, генерируемого СВЧ-автогенератором.The technical result achieved by this solution is that the U-shaped bend of the communication line allows you to remove the open end of the line, on which the voltage antinode will occur, from the planar dielectric resonator, and thereby reduce the influence of the semiconductor generating element and the communication line on the field distribution in the resonator, which prevents the appearance of a degenerate orthogonal oscillation in it and allows you to maintain its quality factor, and hence the stability of the frequency of the signal generated by CB -avtogeneratorom.

Совокупность признаков, изложенных в пункте 3 формулы изобретения, характеризует СВЧ-автогенератор, в котором в качестве полупроводникового генерирующего элемента в автогенераторе использован транзистор, а к U-образной микрополосковой линии связи планарного резонатора с транзистором дополнительно подключен балластный резистор.The combination of features set forth in paragraph 3 of the claims characterizes a microwave oscillator, in which a transistor is used as a semiconductor generating element in the oscillator, and a ballast resistor is additionally connected to the U-shaped microstrip communication line of the planar resonator.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в том, что подключение балластного резистора позволяет сорвать в транзисторном генераторе паразитные колебания на частотах не равных резонансной частоте планарного диэлектрического резонатора, тем самым уменьшить фазовые шумы автогенератора.The technical result achieved by this solution is that the connection of the ballast resistor allows you to disrupt spurious oscillations in the transistor generator at frequencies not equal to the resonant frequency of the planar dielectric resonator, thereby reducing the phase noise of the oscillator.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана одна из возможных конструкций заявляемого СВЧ-автогенератора. На фиг.2 показано распределение электрического и магнитного поля в планарном диэлектрическом резонаторе на гибридном типе колебаний НЕМ₁₁. На фиг.3 схематически показана конструкция СВЧ-автогенератора при использовании в качестве полупроводникового генерирующего элемента транзистора, нагруженного на балластный резистор.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows one of the possible designs of the inventive microwave oscillator. Figure 2 shows the distribution of electric and magnetic fields in a planar dielectric resonator on a hybrid oscillation type HEM ₁₁ . Figure 3 schematically shows the design of a microwave oscillator when used as a semiconductor generating element of a transistor loaded on a ballast resistor.

Заявляемое устройство содержит диэлектрическую подложку 1, нижняя поверхность 2 которой металлизирована, а в металлизации выполнено круглое отверстие 3, микрополосковую линию связи 4 с планарным диэлектрическим резонатором, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5, расположенную на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации 3, так что она касается U-коленом проекции отверстия в металлизации на вторую сторону подложки, микрополосковую линию связи 6 для вывода энергии СВЧ-сигнала, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5 с цепью подачи питания и расположенную на неметаллизированной поверхности подложки 1, отрезок короткозамкнутой линии 7 и отрезок микрополосковой линии передачи 8 с цепью подачи смещения на варикап 9, также расположенные на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 перпендикулярно U-образной микрополосковой линии связи 4, варикап 9, подключенный в зазор между проводниками короткозамкнутой линии 7 и отрезком микрополосковой линии 8 с цепью смещения, металлизированное отверстие 10, проходящее через подложку 1 от короткозамкнутого конца проводника линии 7 до металлизации 2, расположенный снизу первый металлический экран 11, электрически соединенный с металлизацией на нижней поверхности диэлектрической подложки 1, второй металлический экран 12, расположенный сверху подложки и электрически соединеный с металлизацией подложки.The inventive device comprises a dielectric substrate 1, the lower surface 2 of which is metallized, and a circular hole 3 is made in the metallization, a microstrip communication line 4 with a planar dielectric resonator connected at one end to a semiconductor generating element 5 located on a non-metallized surface of the substrate 1 along the axis passing through the center the projection of the circumference of the hole in the metallization 3, so that it touches the U-knee projection of the hole in the metallization on the second side of the substrate, a microstrip a communication line 6 for outputting microwave energy, connected at one end to a semiconductor generating element 5 with a power supply circuit and located on a non-metallic surface of the substrate 1, a segment of a short-circuited line 7 and a segment of a microstrip transmission line 8 with a bias feed circuit to varicap 9, also located on the non-metallic surface of the substrate 1 along the axis passing through the center of the projection of the circumference of the hole 3 perpendicular to the U-shaped microstrip communication line 4, varicap 9 connected to the gap between conductors of a short-circuited line 7 and a segment of a microstrip line 8 with an offset circuit, a metallized hole 10 passing through the substrate 1 from the short-circuited end of the conductor of line 7 to metallization 2, the first metal screen 11 located at the bottom, electrically connected to the metallization on the lower surface of the dielectric substrate 1, the second a metal screen 12 located on top of the substrate and electrically connected to the metallization of the substrate.

Диэлектрическая подложка 1 со слоем металлизации нижней поверхности 2 и круглым отверстием в нем 3 образуют планарный диэлектрический резонатор, резонансная частота которого на гибридной моде, например НЕМ₁₁, равна частоте генерируемых колебаний. Генерируемая частота определяется диаметр отверстия в металлизации подложки.The dielectric substrate 1 with a metallization layer of the lower surface 2 and a circular hole in it 3 forms a planar dielectric resonator, the resonant frequency of which in a hybrid mode, for example, HEM ₁₁ , is equal to the frequency of the generated oscillations. The generated frequency is determined by the diameter of the hole in the metallization of the substrate.

Генерирующий полупроводниковый элемент автогенератора 5, в качестве которого может быть использован биполярный или полевой транзистор, диод Ганна, лавинно-пролетный диод или любой другой двухполюсник с отрицательным сопротивлением, связан с планарным диэлектрическим резонатором с помощью U-образного микрополоскового отрезка линии связи 4. Этот отрезок линии расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1 по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 планарното диэлектрического резонатора на верхнюю сторону подложки, так что проводник линии связи 4 расположен полностью над металлизацией нижнего слоя 2 и не выступает в полость резонатора. Если в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется диод Ганна или лавинно-пролетный диод, то отрезок линии связи 4 будет разомкнут на свободном конце, если же в качестве генерирующего полупроводникового элемента 5 используется транзистор, то линия связи 4 подключается к входному электроду транзистора, а на ее втором свободном конце обычно подключают резистор 13, как показано на фиг.3, препятствующий возникновению паразитных колебаний.The semiconductor generating element of the oscillator 5, which can be used as a bipolar or field effect transistor, Gunn diode, avalanche-span diode or any other two-pole negative resistance, is connected to a planar dielectric resonator using a U-shaped microstrip segment of the communication line 4. This segment the line is located on the non-metallic surface of the substrate 1 along the axis passing through the center of the projection of the circumference of the hole 3 of the planarnoto dielectric resonator to the upper side odlozhki, so that the link conductor 4 is disposed entirely over the lower metallization layer 2 and does not protrude into the cavity resonator. If a Gunn diode or an avalanche-span diode is used as the generating semiconductor element 5, then the segment of the communication line 4 will be open at the free end, if a transistor is used as the generating semiconductor element 5, then the communication line 4 is connected to the input electrode of the transistor, and its second free end usually connect a resistor 13, as shown in figure 3, preventing the occurrence of spurious oscillations.

На фиг.1 приведена самая сложная и перспективная U-образная конфигурация микрополосковой линии связи 4 генерирующего полупроводникового элемента 5 и планарного диэлектрического резонатора 3, при которой разомкнутый конец линии связи 4, на котором будет возникать пучность напряжения, максимально удален от планарного диэлектрического резонатора 3, что позволяет уменьшить влияние полупроводникового генерирующего элемента 5 и линии связи 4 на распределение поля в резонаторе 3. Для упрощения реализации может использоваться микрополосковая линия связи 4 с прямым проводником, расположенным по касательной к окружности проекции отверстия в металлизации 3 на вторую поверхность первой подложки 1 параллельно отрезкам микрополосковых линий системы управления частотой планарного диэлектрического резонатора.Figure 1 shows the most complex and promising U-shaped configuration of a microstrip communication line 4 of a generating semiconductor element 5 and a planar dielectric resonator 3, in which the open end of the communication line 4, on which voltage antinodes will occur, is as far removed as possible from the planar dielectric resonator 3, which allows to reduce the influence of the semiconductor generating element 5 and the communication line 4 on the field distribution in the resonator 3. To simplify the implementation can be used microstrip l Nia 4 Direct connection conductor disposed tangentially to the circumference of the projection aperture in metallization 3 on the second surface of the first substrate 1 in parallel microstrip segments of a control system line frequency planar dielectric resonator.

Система управления частотой планарного диэлектрического резонатора представляет собой соединение расположенных на неметаллизированной поверхности диэлектрической подложки 1 отрезка короткозамкнутой через металлизированное отверстие 10 микрополосковой линии 7 и отрезка микрополосковой линии с цепью смещения 8, подключенной к источнику смещения варикапа. В зазоре между проводниками микрополосковых линий 7 и 8 подключен варикап 9. Проводники линий 7 и 8 расположены по оси проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 на верхнюю поверхность подложки 1. При этом проводник короткозамкнутой микрополосковой линии 7 расположен на неметаллизированной поверхности подложки 1, а свободный конец проводника отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения 8, выступает в проекцию отверстия 3 на верхнюю поверхность подложки 1.The frequency control system of a planar dielectric resonator is a connection of a segment of a short-circuited short-circuit through a metallized hole 10 of a microstrip line 7 located on a non-metallic surface of a dielectric substrate 1 and a segment of a microstrip line with a bias circuit 8 connected to a varicap bias source. In the gap between the conductors of the microstrip lines 7 and 8, a varicap 9 is connected. The conductors of the lines 7 and 8 are located along the axis of the hole 3 passing through the center of the projection onto the upper surface of the substrate 1. The conductor of the short-circuited microstrip line 7 is located on the non-metallic surface of the substrate 1, and free the end of the conductor of the microstrip line segment with the bias feed circuit 8 projects into the projection of the hole 3 onto the upper surface of the substrate 1.

Металлизированное отверстие 10 служит для короткого замыкания по высокой частоте и по постоянному току одного из концов проводника линии передачи 7. Возможны и иные конструктивные варианты выполнения короткого замыкания на одном из концов отрезка линии 7 системы управления частотой планарного диэлектрического резонатора, а не только с помощью металлизированного отверстия 10. Возможны и другие различные конфигурации микрополосковой линии и цепи подачи смещения на варикап 9. В качестве варикапов 9 могут использоваться полупроводниковые или пленочные сегнетоэлектрические конденсаторы.The metallized hole 10 serves for short circuiting at a high frequency and direct current of one of the ends of the transmission line conductor 7. There are other constructive options for performing a short circuit at one end of the line segment 7 of the frequency control system of a planar dielectric resonator, and not just with a metallized openings 10. Other various configurations of the microstrip line and the bias supply circuit for varicap 9 are possible. Semiconductor and and film ferroelectric capacitors.

Микрополосковая линия 6, подключенная одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 5 с цепью подачи питания, расположенная на неметаллизированной поверхности подложки 1, служит для вывода энергии СВЧ-сигнала в согласованную нагрузку.The microstrip line 6, connected at one end to a semiconductor generating element 5 with a power supply circuit, located on a non-metallic surface of the substrate 1, serves to output the energy of the microwave signal into a matched load.

Назначение и конструктивное исполнение остальных элементов СВЧ-автогенератора понятно из фиг.1 и фиг.3.The purpose and design of the remaining elements of the microwave oscillator is clear from figure 1 and figure 3.

Заявляемый СВЧ-автогенератор работает следующим образом.The inventive microwave oscillator operates as follows.

СВЧ-сигнал от полупроводникового генерирующего элемента 5 распространяется по микрополосковой линии связи 4. Так как проводник U-образной линии связи 4 разомкнут на втором конце, то в линии возникает стоячая волна напряжения, причем на расстоянии λ/4 от разомкнутого конца будет находиться пучность тока, а значит, и магнитного поля. Длина U-образного колена линии связи 4 подбирается таким образом, чтобы пучность магнитного поля была расположена на изгибе проводника линии 4, а сам проводник в месте изгиба был расположен близко к краю и касался отверстия 3 в металлизации 2, образующего планарный диэлектрический резонатор. Таким образом, отрезок линии связи 4 и планарный диэлектрический резонатор 3 будут связаны за счет магнитного поля, а у края резонатора 3 в месте наиболее близкого расположения проводника линии связи 4 будет расположена пучность магнитного поля. В результате в планарном резонаторе возбуждаются СВЧ-колебания гибридной моды НЕМ₁₁. Распределение электрического и магнитного полей для такого типа колебаний показано на фиг.2 (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). Планарный диэлектрический резонатор 3 вместе с отрезком разомкнутой линией связи 4 образуют резонансную нагрузку для полупроводникового генерирующего элемента 5. При выполнении условий баланса фаз и амплитуд в автогенераторе, включающем полупроводниковый генерирующий элемент 5 с цепью подачи питания и отрезок микрополосковой линии связи 4, возникнут и будут поддерживаться незатухающие колебания с частотой СВЧ-сигнала, равной резонансной частоте планарного диэлектрического резонатора. Резонатор 3 будет определять не только частоту генерируемых автогенератором колебаний, но и ее стабильность. Через подключенный к полупроводниковому генерирующему элементу отрезок микрополосковой линии 6 энергия СВЧ-сигнала выводится в согласованную нагрузку.The microwave signal from the semiconductor generating element 5 propagates through the microstrip communication line 4. Since the conductor of the U-shaped communication line 4 is open at the second end, a standing voltage wave appears in the line, and at the distance λ / 4 from the open end there will be a current antinode , and hence the magnetic field. The length of the U-shaped bend of the communication line 4 is selected so that the antinode of the magnetic field is located on the bend of the conductor of line 4, and the conductor at the bend is located close to the edge and touches the hole 3 in metallization 2, forming a planar dielectric resonator. Thus, the segment of the communication line 4 and the planar dielectric resonator 3 will be connected due to the magnetic field, and the antinode of the magnetic field will be located at the edge of the resonator 3 in the place of the closest location of the conductor of the communication line 4. As a result, microwave oscillations of the HEM ₁₁ hybrid mode are excited in a planar cavity. The distribution of electric and magnetic fields for this type of oscillation is shown in FIG. 2 (Darko Kajfer, Pierre Guillon. Dielectric Resonators, Second Edition: Noble Publishing Corporation, Atlanta, 1998). A planar dielectric resonator 3, together with a segment of an open communication line 4, forms a resonant load for a semiconductor generating element 5. When the conditions of phase and amplitude balance are satisfied, an oscillator including a semiconductor generating element 5 with a power supply circuit and a segment of a microstrip communication line 4 will arise and will be supported undamped oscillations with a microwave signal frequency equal to the resonant frequency of a planar dielectric resonator. The resonator 3 will determine not only the frequency of the oscillations generated by the oscillator, but also its stability. Through the segment of the microstrip line 6 connected to the semiconductor generating element, the microwave signal energy is output to the matched load.

Проводник отрезка микрополосковой линии 8 системы управления частотой резонатора, выступающий в проекцию отверстия в металлизации, образующего планарный диэлектрический резонатор 3, расположен по направлению силовых линий электрического поля на данном типе колебаний резонатора (см. фиг.2). В результате линия 8, а значит, варикап 9 и короткозамкнутая микрополосковая линия 7 будут связаны с резонатором 3 за счет электрического поля, и эта система управления частотой будет вносить в резонатор 3 реактивность, влияющую на его резонансную частоту. Величина этой реактивности будет определяться результирующей резонансной частотой цепи из отрезков короткозамкнутой линии 7 и линии 8, связанных через варикап 9, и зависит от емкости варикапа 9. Изменение емкости варикапа 9 осуществляется за счет изменения напряжения смещения на нем, которое подается через цепь подачи, подключенную к линии 8. В результате при изменении напряжения смещения на варикапе 9 будет происходить изменение резонансной частоты планарного диэлектрического резонатора 3 и, как следствие, изменение частоты генерируемого автогенератором СВЧ-сигнала. Диапазон перестройки частоты определяется изменением емкости варикапа 9 и степенью связи планарного диэлектрического резонатора 3 с микрополосковой линией 8. Степень связи определяется тем, на сколько проводник микрополосковой линии 8 будет выступать в полость резонатора 3. При небольших относительных диапазонах перестройки, свойственных СВЧ-диапазону, проводник линии 8 должен будет выступать в полость резонатора незначительно, а цепь подачи смещения на варикап и отрезок короткозамкнутой линии 7 будут полностью расположены над слоем металлизации 2 подложки 1.The conductor of the segment of the microstrip line 8 of the resonator frequency control system, protruding into the projection of the hole in the metallization forming a planar dielectric resonator 3, is located in the direction of the electric field lines on this type of oscillation of the resonator (see figure 2). As a result, line 8, and hence varicap 9 and the short-circuited microstrip line 7, will be connected to the resonator 3 due to the electric field, and this frequency control system will introduce reactance into the resonator 3, affecting its resonant frequency. The magnitude of this reactivity will be determined by the resulting resonant frequency of the circuit from the segments of the short-circuited line 7 and line 8 connected through the varicap 9, and depends on the capacitance of the varicap 9. The capacitance of the varicap 9 is changed by changing the bias voltage on it, which is supplied through the supply circuit connected to line 8. As a result, when the bias voltage changes on varicap 9, the resonance frequency of the planar dielectric resonator 3 will change and, as a result, the frequency of the generated autogenerator microwave signal. The frequency tuning range is determined by changing the capacitance of the varicap 9 and the degree of coupling of the planar dielectric resonator 3 with the microstrip line 8. The degree of coupling is determined by how much the conductor of the microstrip line 8 will protrude into the cavity of the resonator 3. For small relative tuning ranges characteristic of the microwave range, the conductor line 8 should protrude slightly into the cavity of the resonator, and the bias supply circuit for the varicap and the segment of the short-circuited line 7 will be completely located above the layer Thallization 2 substrates 1.

Описание работы устройства показывает, что в нем может не только генерироваться стабильный по частоте СВЧ-сигнал, но и может изменяться электронным способом частота этого сигнала (изменением напряжения смещения на варикапе 9), а конструкция устройства значительно упрощена за счет использования одной диэлектрической подложки для выполнения топологии части планарного диэлектрического резонатора и цепей автогенератора. Выполнение их на одной подложке значительно упрощает совмещение проводников на неметаллизированной поверхности и отверстия в металлизированной поверхности подложки, а значит и разброс параметров автогенератора.The description of the operation of the device shows that it can not only generate a frequency-stable microwave signal, but can also electronically change the frequency of this signal (by changing the bias voltage on varicap 9), and the design of the device is greatly simplified by using one dielectric substrate to perform topologies of parts of a planar dielectric resonator and oscillator circuits. Running them on the same substrate greatly simplifies the combination of conductors on a non-metallic surface and holes in the metallized surface of the substrate, and hence the variation in the parameters of the oscillator.

Предлагаемый СВЧ-автогенератор может быть реализован в различных вариантах, позволяющих одновременно генерировать стабильный СВЧ-сигнал, осуществлять его угловую модуляцию либо перестройку частоты сигнала.The proposed microwave oscillator can be implemented in various versions, which simultaneously generate a stable microwave signal, carry out its angular modulation or tuning the signal frequency.

Claims

1. A microwave oscillator containing a dielectric substrate, one of the surfaces of which is metallized and a round hole is made in metallization, and the topology of the microwave oscillator is made on the second surface, including a semiconductor generating element with a power supply circuit, to which a piece of a microstrip line is connected for generating communication element with a planar dielectric resonator due to the electromagnetic field, and a segment of the microstrip line for outputting microwave energy to a matched load, si a frequency control system for said planar dielectric resonator, comprising a segment of a microstrip transmission line with an offset circuit and a varicap, as well as upper and lower metal screens, characterized in that the hole diameter in the metallization is selected from the condition for ensuring resonance at the operating frequency of the oscillator, into the planar frequency control system the second segment of the microstrip line, shorted at one end, is introduced into the dielectric resonator, and the varicap is connected in the gap between the first and second by microstrip lines, and both segments of the microstrip lines of the frequency control system are located along the axis passing through the center of the projection of the circumference of the hole in the metallization onto the second surface of the substrate, the microstrip link of the planar resonator with the semiconductor generating element is located on the non-metallic surface of the substrate and touches the circumference of the projection of the hole in the metallization the second surface of the substrate.

2. The microwave oscillator according to claim 1, characterized in that the Gunn diode is used as the semiconductor generating element in the oscillator, and the microstrip link of the planar resonator with the Gunn diode is U-shaped and open at the free end.

3. The microwave oscillator according to claim 1, characterized in that a transistor is used as a semiconductor generating element in the oscillator, and a ballast resistor is connected to the free end of the U-shaped microstrip communication line of the planar resonator with the transistor.