Малошумлячий транзисторний генератор з виходом на третій гармоніці

Малошумлячий транзисторний генератор з виходом на третій гармоніці міліметрового діапазону довжин хвиль, що містить діелектричну пластину, лицева та зворотна сторони якої містять друковані провідники; містить декілька ідентичних надвисокочастотних польових або біполярних транзисторів, встановлених на лицевій стороні пластини і з'єднаних зі згаданими друкованими провідниками на цій стороні пластини, який відрізняється тим, що діелектрична пластина встановлена на металевій основі; друковані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох груп відрізків мікросмужкових ліній; відрізки першої групи мікросмужкових ліній розміщені під кутом 120° по відношенню один до одного та одними зі своїх кінців під'єднані до стоків (колекторів) згаданих транзисторів, а другими кінцями з'єднані в одній точці, розміщеній в центрі діелектричної U 2 55064 1 3 шлейфів, підключених до резонатора посередині між транзисторами, а вивід корисної потужності на почетвереній частоті генерації 4f0 здійснюється за допомогою ємнісного елементу зв'язку, що підключається до резонатора в точці мінімуму стоячої хвилі в лінії резонатора на основній частоті генерації f0. Використання декількох (чотирьох) транзисторів дозволяє зменшити рівень фазового шуму генератора на частоті f0 за рахунок когерентного складання потужності генераторних транзисторів на фоні некогерентного складання потужності їх некорельованих шумів; дозволяє підвищити частоту вихідного коливання генератора за рахунок одночасного з генерацією помноження частоти; дозволяє зменшити рівень фазового шуму генератора на частоті 4f0 за рахунок можливості для отримання вихідного коливання на частоті 4f0 застосувати резонатор, що працює на частоті f0, тобто в діапазоні частот, де його добротність ще значна. Приведена конструкція генератора має ряд недоліків. По-перше, відвід корисної потужності здійснюється безпосередньо від резонатора, що неминуче зменшує його навантажену добротність та не дозволяє в повній мірі використати фактор добротності як найважливіший фактор зниження рівня шуму вихідного коливання генератора. По-друге, використання в якості робочого вихідного коливання четвертої (тобто парної) гармоніки збільшує рівень фазового шуму генератора за рахунок підвищеного рівня модуляційного переносу складових флікер шуму активного приладу до спектру вихідного коливання генератора. Нарешті, придушення небажаних спектральних складових у вихідному коливанні генератора досягається або за рахунок згаданих додатково введених чвертьхвильових шлейфів, або за рахунок симетрії топології генератора. І те і інше на практиці не забезпечує достатнього ступеня придушення небажаних гармонічних складових внаслідок неідентичності використовуваних елементів та неминучості неточностей при виготовленні. Частково недоліки описаного пристрою подолані в конструкції, що є найбільш близькою по суті до запропонованої моделі. Ця конструкція приведена в статті Jonghoon Choi, Amir Mortazawi. Design of Push-Push and Triple-Push Oscillators for reducing 1/f Noise Up-conversion // IEEE Trans, on MTT, vol.53., No.11, November 2005. Даний генератор складається з трьох окремих однакових генераторів, кожен з яких, в свою чергу, складається з мікросмужкової лінії і польового транзистора з необхідними для виникнення генерації та подачі зміщення ланцюгами, встановленого в розрив мікросмужкової лінії. Всі три генератори з'єднуються між собою в одній точці під кутом 120° відрізками мікросмужкових ліній, з'єднаних із стоками транзисторів. Відрізки мікросмужкових ліній, з'єднані із затворами транзисторів, містять на кінцях конденсатори, які замикають сигнали високої частоти на земляний провідник. У точку з'єднання трьох генераторів вмикається коаксіальний кабель, через який виводиться корисний сигнал генератора та подається живлення на стоки польових транзисторів. Ретельним настроюванням окремих частин генератора досягається генерація коливань окре 55064 4 мих генераторів в мікросмужкових гілках схеми з різницею фаз 120°. При виконанні цієї умови в точці під'єднання коаксіального кабелю сумарна напруга перших гармонік вихідних сигналів генераторів виявляється рівною нулю, а струми третіх гармонік окремих генераторів, що утворюють корисний вихідний сигнал, додаються. Небажані з точки зору фазового шуму парні гармоніки шунтуються додатковими чвертьхвильовими на основній частоті генерації відрізками мікросмужкових ліній, під'єднаних до стоків транзисторів та короткозамкнених на кінцях за допомогою конденсаторів значної величини. Приведена конструкція генератора має наступні недоліки: роль резонаторів виконують короткі відрізки мікросмужкової лінії, яким властиві малі значення добротності, що перешкоджає досягненню малого рівня фазового шуму вихідного сигналу генератора; придушення небажаних гармонік є незначним, оскільки залежить від ідентичності всіх трьох плечей генератора, досягнення якої на практиці неможливе. В основу корисної моделі поставлене завдання удосконалення генератора міліметрового діапазону довжин хвиль, в якому за рахунок застосування резонатора зі збільшеною добротністю знижується рівень шумів вихідного сигналу, та за рахунок застосування у якості елементів зв'язку активних елементів з резонатором спрямованих відгалужувачів і запропонованого вихідного ланцюга забезпечується зменшення небажаних гармонічних складових у вихідному коливанні. Поставлене завдання вирішується тим, що малошумлячий транзисторний генератор з виходом на третій гармоніці міліметрового діапазону довжин хвиль містить діелектричну пластину, лицева та зворотна сторони якої містять друковані провідники. Декілька ідентичних надвисокочастотних польових або біполярних транзисторів, встановлені на лицевій стороні пластини і з'єднані зі згаданими друкованими провідниками на цій стороні пластини. Діелектрична пластина встановлена на металевій основі. Друковані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох груп відрізків мікросмужкових ліній, відрізки першої групи мікросмужкових ліній розміщені під кутом 120° по відношенню один до одного та одними зі своїх кінців під'єднані до стоків (колекторів) згаданих транзисторів, а другими кінцями з'єднані в одній точці, розміщеній в центрі діелектричної пластини. До цієї точки електрично під'єднаний одним зі своїх кінців металевий штир, розміщений в отворах діелектричної пластини та металевої основи, ізольований від згаданої металевої основи. З боку, протилежного до діелектричної пластини, у металевій основі виконано прямокутний хвилевід, повздовжня вісь якого паралельна до площини діелектричної пластини. Хвилевід виконаний короткозамкненим з боку одного зі своїх торців і має розмір широкої стінки менший однієї шостої довжини хвилі на частоті генерованого сигналу. Хвилевід з'єднаний зі згаданим металевим штирем через отвір розташований посередині своєї широкої стінки, причому другий кінець металевого штиря виконано у вигляді зонда, розташованого у згаданому хвилеводі. Відрізки другої групи 5 мікросмужкових ліній під'єднані одними зі своїх кінців до затворів (баз) згаданих транзисторів, а їх протилежні кінці за допомогою трьох розміщених під кутом 120° один до одного однакових мікросмужкових відгалужувачів з'єднані із кільцевим замкненим друкованим провідником. Металізація зі зворотної сторони пластини в області проекції зазначеного провідника видалена, у металевій основі в цій області виконано канавку, а сам зазначений провідник має довжину, рівну довжині хвилі на частоті генерованого сигналу. Використання високодобротного кільцевого резонатора, виконаного на основі екранованої смужкової лінії передачі на зваженій підкладинці дозволяє покращити спектральні характеристики генератора, знизивши рівень фазового шуму. Запропонований спосіб зв'язку активних елементів з резонатором за допомогою спрямованих відгалужувачів разом із конструкцією вузла виводу генерованої потужності з центру діелектричної пластини за допомогою хвилеводу, що збуджується коротким відрізком коаксіальної лінії, дозволяє покращити спектральні характеристики генератора, знизивши рівень гармонік у вихідному коливанні. На Фіг. зображено конструкцію запропонованого генератора, де 1 - діелектрична пластина, металізована з лицевої та зворотної сторін; 2 - металева основа; 3 - надвисокочастотні польові (біполярні) транзистори; 4 - відрізки мікросмужкових ліній першої групи в ланцюгах стоків (колекторів) транзисторів; 5 - металевий штир; 6 - ізолятор; 7 - короткозамкнений на одному з торців прямокутний хвилевід; 8 - відрізки мікросмужкових ліній другої групи в ланцюгах затворів (баз) транзисторів; 9 - кільцевий замкнений друкований провідник; 10 - кільцева канавка в металевій основі; 11 спрямовані відгалужувачі; 12 - відрізки мікросмужкових ліній; 13 - короткозамкнені мікросмужкові шлейфи придушення другої гармоніки з розв'язувальними конденсаторами; 14 - металевий екран. Запропонований малошумлячий транзисторний генератор складається (Фіг.) з діелектричної пластини 1, що містить друковані провідники на лицевій та зворотній сторонах. Пластина поміщена на металеву основу 2. Пластина містить встановлені на ній три надвисокочастотних польових (біполярних) транзистори 3. Вказані провідники на лицевій стороні пластини виконані у вигляді двох груп відрізків мікросмужкових ліній передачі. Відрізки 4 першої групи розміщені під кутом 120° один по відношенню до одного та одними зі своїх кінців під'єднані до стоків (колекторів) транзисторів 3, а іншими - з'єднані спільно в центрі діелектричної пластини. До цієї точки електрично під'єднаний одним зі своїх кінців металевий штир 5, розміщений в отворах діелектричної пластини 1 та металевої основи 2 та ізольований від металевої основи 2 за допомогою ізолятора 6. В області, що прилягає до другого кінця штиря 5 в основі 2 виконано прямокутний хвилевід 7, що використовується для виводу генерованої потужності. Хвилевід закорочений зі сторони одного з торців та має повздовжню вісь, паралельну площині пластини 1. Хвилевід 7 з'єднаний з металевим штирем 5 через 55064 6 отвір розташований посередині широкої стінки хвилеводу. Другий кінець металевого штиря 5 виконано у вигляді зонда, розташованого у хвилеводі. Розміри хвилеводу вибираються такими, щоб він був позамежовим для першої та другої гармонік генерованої частоти. Відрізки другої групи мікросмужкових ліній 8 одними зі своїх кінців під'єднуються до затворів (баз) транзисторів 3. В областях, суміжних з їх протилежними кінцями, на діелектричній пластині 1 виконано друкований провідник 9. В проекції на зворотну сторону пластини металізацію зі зворотної сторони пластини видалено, а в основі 2 виконано кільцеву канавку 10. Секції відрізків мікросмужкових ліній другої групи, що безпосередньо прилягають до лінії кільцевого провідника 9, містять спрямовані відгалужувачі на зв'язаних лініях передачі 11, що розміщуються під кутом 120° один до одного. Генератор також містить відрізки розімкнених ліній передачі 12, до яких під'єднані витоки (емітери) транзисторів 3 та які є елементами позитивного зворотного зв'язку генератора (показані для прикладу, визначаються параметрами використаних транзисторів). Окрім цього конструкція генератора містить короткозамкнені на кінцях по надвисокій частоті мікросмужкові шлейфи 13 довжиною 0/4 ( 0 - довжина хвилі в мікросмужковій лінії на частоті першої гармоніки генерованої частоти). Режим короткого замикання на кінцях цих шлейфів на надвисокій частоті створюється за допомогою зображених розв'язувальних конденсаторів. Екранування конструкції забезпечується металевим екраном 14. Запропонований генератор працює наступним чином. Кожна із розташованих під кутом 120° по відношенню одна до одної гілка генератора, що містить відрізок мікросмужкових ліній з першої групи 4, транзистор 3, відрізок мікросмужкових ліній з другої групи 8 та спрямований відгалужувач, представляє собою генератор, охоплений ланцюгом позитивного зворотного зв'язку, утвореного відрізком мікросмужкової лінії 12, кільцевим замкненим провідником 9, що представляє собою резонатор біжучої хвилі, та відгалужувачем 10, що є елементом зв'язку з резонатором. Спільний для всіх трьох гілок резонатор та ідентичність гілок гарантує взаємну синхронізацію вказаних генераторів, так що всі вони генерують коливання на частоті, близькій до резонансної частоти резонатора f0, а взаємне розміщення гілок під кутом 120° та спосіб зв'язку генераторів з резонатором за допомогою спрямованих відгалужувачів гарантує взаємний фазовий зсув між напругами на першій гармоніці генерованої частоти f0 у гілках генератора, рівний 120°. При цьому сумарна напруга на частотах першої та другої гармонік генерованої частоти в точці з'єднання мікросмужкових ліній першої групи, розміщеній в центрі діелектричної пластини, дорівнює нулю, тоді як коливання на частоті третьої гармоніки (3f0) в тій же точці складаються. Ізольований металевий штир 5 разом з основою 2 утворює коаксіальну лінію передачі, за допомогою якої коливання на частоті третьої гармоніки зі згаданої точки в центрі діелектричної пластини передається в напрямку до короткозамкненого на одному кінці вихідного прямокутного хвилеводу 7. Власне збудження 7 55064 хвилеводу здійснюється за допомогою зонду, утвореного штирем 5, що проходить крізь отвір, виготовлений посередині широкої стінки цього хвилеводу. Розмір широкої стінки хвилеводу вибирається таким, щоб він був позамежовим для хвиль на частотах f0 та 2f0, але безперешкодно міг передавати хвилю на частоті 3f0, потужність якоїі є корисною вихідною потужністю запропонованого генератора. Підкреслимо, що хоча, як зазначено вище, придушення небажаних спектральних складових вихідного коливання на частотах f0 та 2f0 має місце вже в точці з'єднання гілок генератора, рівність нулю напруг вказаних спектральних складових досягається лише при абсолютній ідентичності гілок генератора. Вказаний вибір розмірів вихідного хвилеводу дозволяє досягнути високого ступеню придушення складових на частотах f0, 2f0 і тим самим суттєво покращити спектральні характеристики вихідного коливання генератора. Підкреслимо, що необхідним для реалізації описаного механізму роботи генератора є створення умов, при яких коливання в його гілках зсунуті по фазі на 120°. В описаній конструкції це досягнуто за рахунок використання кільцевого резонатора 9, як резонатора біжучої хвилі. Близь Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 8 кий до цього режим роботи резонатора досягається за рахунок спрямованих відгалужувачів 11, що виконують роль елементів зв'язку резонатора з активними елементами у гілках генератора. Зниження рівня фазового шуму в запропонованому генераторі досягається за рахунок введення в йоги конструкцію короткозамкнених (за допомогою розв'язувальних конденсаторів) чвертьхвильових на частоті першої гармоніки f0 шлейфів 13, які не впливають на хвилі на частотах f0 та 3 f0, але закорочують електроди активних елементів на частоті 2f0, покращуючи симетрію форми надвисокочастотних напруг на них і тим самим зменшуючи модуляційний переніс спектру флікер шуму активних елементів до спектральної характеристики генератора. Важливим фактором зниження рівня фазового шуму в запропонованому генераторі є використання в якості лінії передачі для реалізації резонатора не мікросмужкової, а екранованої смужкової лінії, втрати якої значно нижчі. Це призводить до суттєвого збільшення навантаженої добротності резонатора, а, як наслідок, до зменшення рівня фазового шуму генератора, побудованого на його основі. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601