CC BY
12Электроника СВЧ
УДК 621.382.27
Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко
Технологический институт Южного федерального университета в г. Таганроге
| Усиление СВЧ-колебаний в миллиметровом диапазоне*
Рассмотрено техническое решение по разработке СВЧ-усилителя в одном из участков миллиметрового диапазона длин волн.
Лавинно-пролетный диод, генератор, миллиметровый диапазон
Результаты научно-исследовательских работ, связанных с инженерной разработкой элементной базы радиопередающих устройств (РПУ) миллиметрового диапазона, прерванной в последние годы, редко освещаются в профессиональной периодической печати, что ограничивает обмен опытом среди разработчиков СВЧ-радиоаппаратуры и отрицательно сказывается на возможностях модернизации уже разработанных устройств и тем более на создании новых.
В этой связи представляется целесообразным обсудить некоторые практические результаты, полученные авторами в упомянутой области.
В настоящей статье рассмотрена возможность разработки усилителя СВЧ на лавинно-пролетном диоде в одном из участков миллиметрового диапазона длин волн - усилителя, который по уровню насыщения может быть классифицирован как промежуточный предвыходной усилитель мощности. Представлена широко распространенная схема усилителя отражательного типа.
Усилительная камера выполнена на основе короткозамкнутого отрезка волновода сечением 5.2*2.6 мм (рис. 1, где 1 - лавинно-пролетный диод (ЛПД); 2 - фильтр нижних частот системы питания диода; 3 - диодные держатели; 4 - СВЧ-резонатор, образованный отрезком короткозамкнутого волновода упомянутого сечения длиной I; 5 - короткозамы-кающий поршень). Усилительная камера подсоединена к волноводному циркулятору, разделяющему падающий (входной) и отраженный (выходной) сигналы.
Исследован узкополосный усилитель мощности, разработанный на основе разбаланси-рованного ЛПД-генератора, отсутствие амплитудного баланса в котором обеспечивалось соответствующим выбором режима питания ЛПД. Устойчивый усилительный режим фиксировался с помощью полуавтоматической панорамной установки по наблюдаемой на экране амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) усилителя. В качестве активного элемента
* Экспериментальные материалы получены на оборудовании, предоставленном по национальному проекту "Образование".
© Алексеев Ю. И., Демьяненко А. В., 2010
л о
й ч
к
л к
я «
применен отечественный серийный ЛПД типа 2А717Б. Поскольку измерение коэффициента усиления проводилось на полуавтоматической панорамной установке, на графиках АЧХ указан уровень входного сигнала, при котором данная АЧХ измерена, т. е. по представленным АЧХ можно косвенно судить об амплитудных свойствах исследуемого усилителя.
Результаты экспериментальных исследований представлены в трех участках миллиметрового диапазона. На рис. 2 показаны АЧХ усилителя диапазонов X « 7.1 мм (рис. 2, а) и X«6.8 мм (рис. 2, б), полученные механической перестройкой усилительной камеры - изменением длины резонатора I при неизменной нагрузке усилителя. Из рис. 2, а, б следует, что согласование усилительной камеры в различных участках исследуемого диапазона проводилось изменением рабочего тока диода, что объясняется амплитудными свойствами импеданса диода, поскольку, как следует из выражения для коэффициента усиления
Ку = (Rр - Rд )ДRр + Rд | , где Rр - волновое сопротивление резонатора усилителя; Rд (Рвх ) - волновое сопротивление диода (Рвх - мощность усиливаемого сигнала). Этой же причиной объяснялась и существенная зависимость Ку (Рвх ) (на рис. 2, а, б достаточно хорошо видна не только эта зависимость, но также и диапазонные свойства исследуемой усилительной камеры, что позволяет надеяться на возможность расширения полосы частот усиливаемых сигналов).
Рис. 1
Рвх = 367 мкВт 54.5 мкВт 180 мкВт
Ку, дБ
5
0
Ку, дБ
10 = 31 мА I = 4.44 мм
Рвх = 25 мкВт
92 мкВт 180 мкВт 788 мкВт
10 = 49 мА I = 3.05 мм
5 0
42.9 43 43.1 f, ГГц 43.5 43.6 43.7 43.8 43.9 f, ГГц 0
а б
Рис. 2
10 = 31 мА I = 4.44 мм
0.2 0.4 0.6 Рвх, мВт
в
Собственно амплитудные свойства усилителя в указанных частотных диапазонах представлены динамическими характеристиками (рис. 2, в), ход которых в значительной степени определяется рабочими токами ЛПД. Насыщение усилителя (по уровню падения усиления на 3дБ) начинается при достаточно больших мощностях входных сигналов (около 0.2 мВт и более), а нелинейное усиление при технически приемлемых коэффициентах усиления наблюдается вплоть до Рвх « 0.8 мВт. Такие амплитудные показатели дают основание утверждать, что усилители на ЛПД классифицируются как усилители мощности промежуточного (предвыходного) типа.
Исследуемая усилительная камера была опробована в более коротковолновой части миллиметрового диапазона (X « 5.5 мм) путем существенного укорочения колебательной системы (рис. 3). В этом диапазоне также получено технически приемлемое усиление (рис. 3, а), свидетельствующее о возможности получения усилителя с полосой более 200 МГц (по уровню - 3дБ) и коэффициентом усиления 7...10 дБ. Возможно также увеличение коэффициента усиления до 12.13 дБ при незначительном изменении диапазона усиливаемых сигналов. Амплитудные свойства (рис. 3, б) примерно такие же, как у усилителей предыдущего диапазона.
Следует обратить внимание на возможность получения широкополосного усиления (рис. 4, а), которое реализовано в диапазоне X « 7.1 мм путем резкого увеличения рабочего тока ЛПД, позволившего добиться согласования в достаточно широкой полосе частот: по уровню -3 дБ достигнута полоса более 1 ГГц при неравномерности усиления не более 2 дБ, что в технике считается хорошим результатом. Амплитудные свойства широкопо-
Ку, дБ
11
10 = 49 мА _ I = 3.35 мм
8 -
5 2
Рвх = 367 мкВт
165 мкВт
54.2 а
Ку, дБ
54.4 /, ГГц
Рис. 3
I = 3.35 мм
0.05 0.1
б
Ку, дБ
Рвх = 0.27 мВт
41.5 42
42.5 а
10 = 60 мА I = 3.35 мм
Ку, дБ
43 /, ГГц 0
Рис. 4
0.075
0.15
б
10 = 60 мА I = 3.35 мм
0.225 Рвх, мВт
0
лосного усилителя, представленные динамической характеристикой на средней частоте диапазона (рис. 4, б), также удовлетворительны и делают усилитель приемлемым при реализации усилительных каскадов радиопередающих устройств СВЧ.
Y. I. Alekseev, A. V. Demyanenko
Institute of technology of Southern federal university
Amplification of millimeter-wave oscillations
Technical solution for designing of microwave amplifier operating in a particular section of millimeter-wave is considered.
IMPATT Diode, oscillator, millimeter wave band
Статья поступила в редакцию 19 ноября 2009 г.
УДК 3621.385
В. Ю. Мучкаев, В. А. Царев
Саратовский государственный технический университет
Управление спектром основного и высших видов колебаний в двухзазорных одноканальных и многоканальных резонаторах
Приведены результаты численного исследования электродинамических свойств двухзазорных резонаторов различной формы. Получены закономерности поведения основного и первого высшего видов колебаний в рассмотренных резонаторах. Найдены условия, при которых отношение частот основного противофазного и высшего синфазного видов колебаний становится кратным.
Двухзазорные резонаторы, управление спектром, виды колебаний
Для улучшения комплекса электрических и массогабаритных параметров многолучевых СВЧ-приборов [1], а также ускорителей заряженных частиц [2] перспективным является использование электродинамических систем, выполненных на основе цепочки связанных резонаторов. При этом появляется возможность существенного увеличения суммарного тока пучка и повышения эффективности обмена энергией между пучками и СВЧ-полем за счет уменьшения ограничений на величину поля пространственного заряда.
До настоящего времени изучались лишь многолучевые электродинамические системы для приборов с клистронным типом взаимодействия, выполненные на основе системы связанных однозазорных резонаторов. Применение в таких системах двухзазорных резонаторов позволит улучшить комплекс выходных электрических и массогабаритных параметров приборов СВЧ в 1.5...2 раза [3]. Такие резонаторы отличаются сложной формой резонансных элементов и могут возбуждаться как на противофазном, так и на синфазном видах колебаний. Синфазный вид колебаний в режиме одночастотного усиления обычно является паразитным, так как на этом виде возможно самовозбуждение прибора. Однако могут быть найдены такие режимы возбуждения резонаторов, при которых частоты воз-
© Мучкаев В. Ю., Царев В. А., 2010
