RU2388119C1

RU2388119C1 - Self-contained microwave generator

Info

Publication number: RU2388119C1
Application number: RU2008148046/09A
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Буслов (RU); Олег Юрьевич Буслов; Александр Алексеевич Головков (RU); Александр Алексеевич Головков; Владимир Николаевич Кейс (RU); Владимир Николаевич Кейс; Андрей Борисович Козырев (RU); Андрей Борисович Козырев
Priority date: 2008-12-01
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2010-04-27

Abstract

FIELD: physics, radio.

SUBSTANCE: invention relates to radio electronics and is a self-contained microwave generator which can be used as a tuneable oscillator in microwave frequency synthesisers, as an independent radio transmitter in location and data transfer systems, as well as in active phased antenna array of automobile anti-collision systems. The device has a dielectric substrate (1), whose bottom surface (2) is metal coated and the metal coating has a circular opening (3) whose diametre is such that there is resonance at its operating frequency, and on the second metal coated surface there is topology (4) of a tuneable self-contained microwave generator, a second dielectric substrate (5) lying under the first dielectric substrate (1) on the side of its metal coated surface with a circular opening (3) and in contact with the metal coating (2) on the bottom surface of the first dielectric substrate (1) lying under the first metallic shield (6), electrically connected to the metal coating (2) on the bottom surface of the first dielectric substrate (1), a second metallic shield (7), lying on top and electrically connected to the metal coating (2) of the first dielectric substrate (1).

EFFECT: reduced weight and size of the self-contained generator with retention and improvement of its parametres due to use of a second dielectric substrate.

5 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 array antennas when active array modules perform simultaneously 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 frequency of the signal.

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. Такие устройства описаны, например, в европейском патенте ЕР 1670091 А1 (Кл. Н01Р 1/20), опубликованном 14.06.2006 (Bulletin 2006/24), и в патенте Российской Федерации RU 2336625 С1 (Кл. МПК Н03В 5/18), опубликованном 20.10.2008. В первом патенте автогенератор содержит в своем составе две металлизированные диэлектрические подложки, одна из которых на одной из сторон содержит топологию автогенератора, при этом другая сторона в металлизации содержит отверстие связи. Вторая диэлектрическая подложка металлизирована с двух сторон, причем в каждой из металлизированных поверхностей имеются отверстия, образующие планарный диэлектрический резонатор. Наличие второй металлизированной подложки приводит к усложнению конструкции автогенератора и увеличению числа технологических циклов при его изготовлении. Во втором патенте рассматриваемый автогенератор, который для снижения диэлектрических потерь в подложке выполнен на подложке с низкой диэлектрической проницаемостью, что приводит к увеличению диаметра планарного диэлектрического резонатора, а следовательно, к возрастанию массогабаритных характеристик устройства.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. Such devices are described, for example, in European patent EP 1670091 A1 (Cl. H01P 1/20), published June 14, 2006 (Bulletin 2006/24), and in the patent of the Russian Federation RU 2336625 C1 (Cl. IPC Н03В 5/18), published on October 20, 2008. In the first patent, the oscillator contains two metallized dielectric substrates, one of which on one side contains the topology of the oscillator, while the other side in the metallization contains a communication hole. The second dielectric substrate is metallized on both sides, with holes in each of the metallized surfaces forming a planar dielectric resonator. The presence of a second metallized substrate complicates the design of the oscillator and increases the number of technological cycles in its manufacture. In the second patent, a self-oscillator is considered, which is made on a substrate with a low dielectric constant to reduce dielectric loss in the substrate, which leads to an increase in the diameter of the planar dielectric resonator and, consequently, to an increase in the overall dimensions of the device.

Конструкция автогенератора, описанная в патенте RU 2336625 С1 (Кл. МПК Н03В 5/18), является наиболее близким по совокупности существенных признаков.The design of the oscillator described in patent RU 2336625 C1 (Cl. MPK Н03В 5/18) is the closest in the set of essential features.

Известное устройство содержит диэлектрическую подложку, на верхней поверхности которой выполнена топология перестраиваемого 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 планарного диэлектрического резонатора в виде отрезка микрополосковой линии с цепью подачи смещения и варикапом.The known device contains a dielectric substrate, on the top surface of which the topology of a tunable microwave oscillator is made, including a semiconductor generating element with a power supply circuit, to which a piece of a microstrip line is connected to connect the generating element with a planar dielectric resonator due to the electromagnetic field, and a piece of microstrip line for output energy of the microwave signal into a matched load, frequency control system of a planar dielectric resonator a microstrip line segment with the chain and the bias varicap.

Нижняя поверхность подложки металлизирована, и в металлизации выполнено круглое отверстие, диаметр которого выбран из условия обеспечения резонанса на рабочей частоте автогенератора, образующее планарный диэлектрический резонатор. Отрезки микрополосковых линий, выполненных на верхней поверхности подложки относительно отверстия в металлизации нижней поверхности подложки, расположены: первый - по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, а второй касается окружности проекции отверстия в металлизации на вторую поверхность подложки, образующей планарный диэлектрический резонатор. Микрополосковые линии связаны с планарным диэлектрическим резонатором за счет электромагнитного поля.The lower surface of the substrate is metallized, and a round hole is made in the metallization, the diameter of which is selected from the condition for resonance at the operating frequency of the oscillator, forming a planar dielectric resonator. The segments of microstrip lines made on the upper surface of the substrate relative to the hole in the metallization of the lower surface of the substrate are located: the first is 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, and the second touches the circumference of the projection of the hole in the metallization onto the second surface of the substrate, forming a planar dielectric resonator. Microstrip lines are connected to a planar dielectric resonator due to the electromagnetic field.

Диэлектрическая подложка заключена в металлизированные экраны, соединенные с металлизацией на нижней поверхности диэлектрической подложки.The dielectric substrate is enclosed in metallized screens connected to metallization on the lower surface of the dielectric substrate.

Однако это устройство имеет тот недостаток, что в нем, как правило, для снижения диэлектрических потерь используются диэлектрические подложки с низкой диэлектрической проницаемостью, что приводит к увеличению диаметра планарного диэлектрического резонатора и возрастанию массогабаритных характеристик всего устройства. При необходимости снижения размеров устройства единственным путем решения является увеличение диэлектрической проницаемости диэлектрической подложки в автогенераторе, что неизбежно ведет к увеличению диэлектрических потерь в автогенераторе и ухудшению его основных характеристик.However, this device has the disadvantage that, as a rule, it uses dielectric substrates with a low dielectric constant to reduce dielectric losses, which leads to an increase in the diameter of the planar dielectric resonator and an increase in the overall dimensions of the device. If it is necessary to reduce the size of the device, the only solution is to increase the dielectric constant of the dielectric substrate in the oscillator, which inevitably leads to an increase in the dielectric loss in the oscillator and the deterioration of its basic characteristics.

Таким образом, решаемой задачей является создание устройства с улучшенными массогабаритными характеристиками автогенератора при сохранении или улучшении его основных параметров.Thus, the problem to be solved is to create a device with improved overall dimensions of the oscillator while maintaining or improving its main parameters.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство так же, как и известное, содержит диэлектрическую подложку, одна из поверхностей которой металлизирована, и в металлизации выполнено круглое отверстие, диаметр которого выбран из условия обеспечения резонанса на его рабочей частоте, а на второй поверхности выполнена топология перестраиваемого СВЧ автогенератора, также верхний и нижний металлические экраны. Но, в отличие от известного устройства, в предлагаемом СВЧ автогенераторе диэлектрическая подложка со стороны металлизированной поверхности, содержащей круглое отверстие, контактирует со второй диэлектрической подложкой, тангенс угла диэлектрических потерь которой не более тангенса угла диэлектрических потерь первой диэлектрической 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 circular hole is made in the metallization, the diameter of which is selected from the condition of ensuring resonance at its operating frequency, and on the second surface the topology of the tunable microwave oscillator was completed, as well as the upper and lower metal screens. But, unlike the known device, in the proposed microwave oscillator, the dielectric substrate on the side of the metallized surface containing a round hole is in contact with the second dielectric substrate, the dielectric loss tangent of which is not more than the dielectric loss tangent of the first dielectric substrate.

Технический результат, достигаемый таким решением, состоит в уменьшении массогабаритных характеристик автогенератора при сохранении или улучшении его основных параметров за счет введения в конструкцию автогенератора второй диэлектрической подложки. Введение второй диэлектрической подложки приводит к большей концентрации электромагнитного поля в объеме диэлектриков за счет снижения полей рассеяния вне диэлектриков. Это, в свою очередь, ведет к увеличению эффективной диэлектрической проницаемости планарного резонатора и снижению СВЧ металлических потерь в металлических экранах, то есть к уменьшению диаметра отверстия планарного диэлектрического резонатора и повышению его собственной добротности.The technical result achieved by this solution is to reduce the overall dimensions of the oscillator while maintaining or improving its basic parameters by introducing a second dielectric substrate into the oscillator design. The introduction of a second dielectric substrate leads to a higher concentration of the electromagnetic field in the bulk of the dielectrics due to a decrease in the scattering fields outside the dielectrics. This, in turn, leads to an increase in the effective dielectric constant of the planar resonator and a decrease in the microwave microwave loss in metal screens, i.e., to a decrease in the diameter of the hole of the planar dielectric resonator and an increase in its own Q factor.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана одна из возможных конструкций заявляемого СВЧ автогенератора. На фиг.2 показано поперечное сечение планарного диэлектрического резонатора. На фиг.3 схематически показана полная конструкция СВЧ автогенератора. На фиг.4 показано распределение электрических составляющих электромагнитного поля в планарном диэлектрическом резонаторе, выполненном на основе одной диэлектрической подложки и двух подложек.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows one of the possible designs of the inventive microwave oscillator. Figure 2 shows a cross section of a planar dielectric resonator. Figure 3 schematically shows the complete structure of the microwave oscillator. Figure 4 shows the distribution of the electrical components of the electromagnetic field in a planar dielectric resonator made on the basis of one dielectric substrate and two substrates.

Заявляемое устройство содержит диэлектрическую подложку 1, нижняя поверхность 2 которой металлизирована, а в металлизации выполнено круглое отверстие 3, диаметр которого выбран из условия обеспечения резонанса на его рабочей частоте, а на второй металлизированной поверхности выполнена топология 4 перестраиваемого СВЧ автогенератора, вторую диэлектрическую подложку 5, расположенную под первой диэлектрической подложкой 1 со стороны ее металлизированной поверхности с круглым отверстием 3, контактирующую с металлизацией 2 на нижней поверхности первой диэлектрической подложки 1, расположенный снизу первый металлический экран 6, электрически соединенный с металлизацией 2 на нижней поверхности первой диэлектрической подложки 1, второй металлический экран 7, расположенный сверху и электрически соединенный с металлизацией 2 первой диэлектрической подложки 1.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, the diameter of which is selected to ensure resonance at its operating frequency, and the topology 4 of the tunable microwave oscillator is made on the second metallized surface, the second dielectric substrate 5, located under the first dielectric substrate 1 from the side of its metallized surface with a circular hole 3 in contact with metallization 2 on the lower surface the first dielectric substrate 1, located below the first metal screen 6, electrically connected to the metallization 2 on the lower surface of the first dielectric substrate 1, the second metal screen 7, located above and electrically connected to the metallization 2 of the first dielectric substrate 1.

Первая диэлектрическая подложка 1 со слоем металлизации нижней поверхности 2 с круглым отверстием в нем 3 и со второй диэлектрической подложкой, тангенс угла диэлектрических потерь которой не более тангенса угла диэлектрических потерь первой диэлектрической подложки 1, образуют планарный диэлектрический резонатор, резонансная частота которого равна частоте генерируемых колебаний. Генерируемой частотой определяется диаметр отверстия в металлизации первой диэлектрической подложки.The first dielectric substrate 1 with a metallization layer of the lower surface 2 with a round hole 3 in it and with a second dielectric substrate, the dielectric loss tangent of which is not more than the dielectric loss tangent of the first dielectric substrate 1, form a planar dielectric resonator whose resonant frequency is equal to the frequency of the generated oscillations . The generated frequency determines the diameter of the hole in the metallization of the first dielectric substrate.

На фиг.3 приведена более полная схема топологии перестраиваемого СВЧ автогенератора 4, расположенной на второй поверхности первой диэлектрической подложки 1, которая представляет собой U-образный отрезок микрополосковой линии связи 8 планарного диэлектрического резонатора, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 9 с цепью подачи питания, расположенную по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 в металлизации 2, так что она касается U-коленом проекции отверстия в металлизации на нижней стороне подложки 1, микрополосковую линию связи 10 для вывода энергии СВЧ сигнала, подключенную одним концом к полупроводниковому генерирующему элементу 9 с цепью подачи питания и расположенную на верхней поверхности подложки 1, второй отрезок микрополосковой линии 11, короткозамкнутый на одном конце, и отрезок микрополосковой линии передачи 12 с цепью смещения на варикап 14, также расположенные на верхней поверхности подложки 1 по оси, проходящей через центр проекции окружности отверстия 3 перпендикулярно U-образному отрезку микрополосковой линии связи 8 планарного резонатора, варикап 14, подключенный в зазоре между короткозамкнутым вторым отрезком микрополосковой линии 11 и отрезком микрополосковой линии передачи 12 с цепью смещения, металлизированное отверстие 13, проходящее через подложку 1 от короткозамкнутого конца второго отрезка микрополосковой линии 11 до металлизации 2.Figure 3 shows a more complete topology diagram of a tunable microwave oscillator 4 located on the second surface of the first dielectric substrate 1, which is a U-shaped segment of a microstrip communication line 8 of a planar dielectric resonator connected at one end to a semiconductor generating element 9 with a power supply circuit located along an axis passing through the center of the projection of the circumference of the hole 3 in the metallization 2, so that it touches the U-knee projection of the hole in the metallization on the lower st the substrate 1, a microstrip communication line 10 for outputting microwave energy, connected at one end to a semiconductor generating element 9 with a power supply circuit and located on the upper surface of the substrate 1, a second segment of the microstrip line 11, short-circuited at one end, and a segment of the microstrip transmission line 12 with an offset circuit on the varicap 14, also located on the upper surface of the substrate 1 along an axis passing through the center of the projection of the circumference of the hole 3 perpendicular to the U-shaped segment of the microstrip l Communication 8 SRI planar resonator varicap 14 is connected in the gap between the short-circuited second length of microstrip line 11 and microstrip line segment with an offset circuit 12, the metallized hole 13 extending through the substrate 1 from the shorted end of the second segment of the microstrip line 11 to the metallization 2.

Заявляемый СВЧ автогенератор работает как известное устройство, описанное в патенте RU 2336625 С1 (Кл. МПК Н03В 5/18).The inventive microwave oscillator operates as a known device described in patent RU 2336625 C1 (Cl. IPC Н03В 5/18).

В предлагаемом устройстве введена вторая диэлектрическая подложка 5, тангенс угла диэлектрических потерь которой не более тангенса угла диэлектрических потерь первой диэлектрической подложки 1, контактирующая с диэлектрической подложкой 1 со стороны металлизированной поверхности 2, содержащей круглое отверстие 3, что приводит к большей концентрации электромагнитного поля в объеме диэлектриков и снижению полей рассеяния вне диэлектриков. На фиг.4а показано распределение электрических составляющих электромагнитного поля в планарном диэлектрическом резонаторе, выполненном на основе одной диэлектрической подложки, а на фиг.4б - на основе двух подложек.In the proposed device, a second dielectric substrate 5 is introduced, the dielectric loss tangent of which is not more than the dielectric loss tangent of the first dielectric substrate 1 in contact with the dielectric substrate 1 from the side of the metallized surface 2 containing a circular hole 3, which leads to a higher concentration of the electromagnetic field in the volume dielectrics and lower scattering fields outside dielectrics. On figa shows the distribution of the electrical components of the electromagnetic field in a planar dielectric resonator made on the basis of one dielectric substrate, and figb - on the basis of two substrates.

Эффективная диэлектрическая проницаемость планарного резонатора в известном устройстве определяется диэлектрическими проницаемостями первой диэлектрической подложкой 1 и воздушной средой. Электрическое поле рассеяния в воздухе в этом случае может быть весьма значительным (см. фиг.4а). Введение в устройство второй диэлектрической подложки 3 с диэлектрической проницаемостью большей, чем диэлектрическая проницаемость воздушной среды, позволяет сконцентрировать электрическое поле внутри двух диэлектрических подложек, что ведет к увеличению эффективной диэлектрической проницаемости и уменьшению полей рассеяния электрического поля в пространстве вне диэлектриков (см. фиг.4б). Это, в свою очередь, приведет к снижению рабочей частоты автогенератора, если диаметр круглого отверстия 3 планарного диэлектрического резонатора останется неизменным, и, следовательно, для возвращения рабочей частоты автогенератора к прежнему значению требуется уменьшение диаметра отверстия 3 в металлизации 2 планарного диэлектрического резонатора, что, в свою очередь, уменьшает массогабаритные характеристики прибора. Снижение полей рассеяния в предлагаемом варианте устройства приводит также и к уменьшению электрических потерь в металлическом экране 6, что позволит сократить размер между металлическим экраном 6 и планарным диэлектрическим резонатором. Примером предлагаемой конструкции устройства может служить использование диэлектрической подложки 1, выполненной из высокочастотного ламинированного полимерного материала Rogers RO3003 с диэлектрической проницаемостью ε=3, тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=1.3·10^-3, и второй диэлектрической подложки 5 из высокочастотного поликристаллического материала - поликор с ε=10 и tgδ=1·10^-4. В результате такой комбинации диаметр планарного диэлектрического резонатора уменьшается примерно в полтора раза, а электромагнитное поле будет сконцентрировано в объеме диэлектрических подложек 1 и 5, что приведет к уменьшению СВЧ потерь в металлических экранах 6, 7 и повышению собственной добротности планарного диэлектрического резонатора. Использование в качестве второй диэлектрической подложки 5 высокочастотного материала с низкой диэлектрической проницаемостью и меньшим тангенсом угла диэлектрических потерь, по сравнению с первой диэлектрической подложкой 1, например с применением полимерного материала Rogers RO3003 (ε=3, tgδ=1.3·10^-3) и материала Rogers RO3210 (ε=10.2, tgδ=1.3·10^-3), также приведет к уменьшению диаметра и увеличению собственной добротности планарного диэлектрического резонатора.The effective dielectric constant of a planar resonator in the known device is determined by the dielectric constant of the first dielectric substrate 1 and the air. The electric field of scattering in air in this case can be very significant (see figa). The introduction of a second dielectric substrate 3 with a dielectric constant greater than the dielectric constant of the air allows the electric field to be concentrated inside two dielectric substrates, which leads to an increase in the effective dielectric constant and a decrease in the scattering fields of the electric field in the space outside the dielectrics (see Fig. 4b ) This, in turn, will lead to a decrease in the operating frequency of the oscillator if the diameter of the circular hole 3 of the planar dielectric resonator remains unchanged, and therefore, to return the operating frequency of the oscillator to its previous value, a decrease in the diameter of the hole 3 in the metallization 2 of the planar dielectric resonator is required, which in turn, reduces the weight and size characteristics of the device. The reduction of the scattering fields in the proposed embodiment of the device also leads to a decrease in electric losses in the metal screen 6, which will reduce the size between the metal screen 6 and the planar dielectric resonator. An example of the proposed device design can be the use of a dielectric substrate 1 made of high-frequency laminated polymer material Rogers RO3003 with a dielectric constant ε = 3, a dielectric loss tangent tanδ = 1.3 · 10 ^-3 , and a second dielectric substrate 5 made of a high-frequency polycrystalline material - policor with ε = 10 and tanδ = 1 · 10 ^-4 . As a result of this combination, the diameter of the planar dielectric resonator decreases by about one and a half times, and the electromagnetic field is concentrated in the volume of the dielectric substrates 1 and 5, which will lead to a decrease in microwave losses in metal screens 6, 7 and an increase in the intrinsic quality factor of the planar dielectric resonator. The use of a high-frequency material with a low dielectric constant and a lower dielectric loss tangent as the second dielectric substrate 5 compared to the first dielectric substrate 1, for example, using Rogers RO3003 polymer material (ε = 3, tgδ = 1.3 · 10 ^-3 ) and Rogers RO3210 (ε = 10.2, tanδ = 1.3 · 10 ^-3 ) will also lead to a decrease in diameter and an increase in the intrinsic Q factor of a planar dielectric resonator.

Описание работы устройства показывает, что использование в конструкции автогенератора второй диэлектрической подложки, расположенной под первой диэлектрической подложкой со стороны ее металлизированной поверхности с круглым отверстием, ведет к уменьшению диаметра отверстия планарного диэлектрического резонатора и, следовательно, к уменьшению массогабаритных характеристик устройства, а повышение собственной добротности резонатора приводит к увеличению стабильности частоты автогенератора и снижению его фазовых шумов.The description of the operation of the device shows that the use of a second dielectric substrate located under the first dielectric substrate on the side of its metallized surface with a round hole in the design of the oscillator leads to a decrease in the diameter of the hole of the planar dielectric resonator and, consequently, to a decrease in the overall dimensions of the device, and an increase in the quality factor resonator leads to an increase in the stability of the oscillator frequency and a decrease in its phase noise.

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

A microwave oscillator containing a dielectric substrate, one of the surfaces of which is metallized and a circular hole is made in metallization, the diameter of which is selected to ensure resonance at its operating frequency, and the topology of the tunable microwave oscillator is made on the second surface, as well as the upper and lower metal screens, characterized in that the dielectric substrate on the side of the metallized surface containing a circular hole is in contact with the second dielectric substrate, the tangent of the angle dielectric loss which is not more than the tangent of the dielectric loss angle of the first dielectric substrate.