Квазіоптичний суматор потужностей
Номер патенту: 84164
Опубліковано: 25.09.2008
Автори: Родионова Валентина Миколаївна, Гламаздін Володимир Володимирович, Нечаев Олег Геннадійович, Булгаков Борис Михайлович, Скресанов Валерій Миколайович, Натаров Михайло Петрович, Карпович Віктор Аркадійович, Шубний Олександр Іванович
Формула / Реферат
1. Квазіоптичний суматор потужностей, що містить решітку напівпровідникових хвилеводних модулів, першу і другу решітки пристроїв зв'язку, розташованих з двох сторін відносно решітки модулів так, що осі хвилеводів перпендикулярні решіткам пристроїв зв'язку, а перша решітка пристроїв зв'язку виконана у вигляді мікрострічкової антенної решітки, який відрізняється тим, що на відстані від другої решітки пристроїв зв'язку перпендикулярно осям хвилеводів розміщено рефлектор так, що він у сукупності з другою решіткою пристроїв зв'язку являє собою відкритий резонатор, а пристрої зв'язку, що містять другу решітку, виконані як пристрої зв'язку з відкритим резонатором.
2. Квазіоптичний суматор потужностей за п. 1, який відрізняється тим, що пристрої зв'язку, що містять другу решітку, виконані у вигляді металевих дифракційних ґрат, нанесених на діелектричні підкладки, які розташовані в перерізах хвилеводів.
Текст
1. Квазіоптичний суматор потужностей, що містить решітку напівпровідникових хвилеводних 3 84164 Н03В7/14; А.с. СССР №1568206 Н03В7/14; QuasiOptical Resonator for Millimeter and Submillimeter Wave Solid-State Sources, Electronic Letters, 1988, Vol.24, no. 13; Quasi-Optical Power Combiner, Int. J. of Infrared and Millimeter Waves, 1995, Vol.16, no.4]. Такі рішення застосовуються для об'єднання потужностей від двох до десятка напівпровідникових елементів. Існує також потенційна можливість зниження фазових шумів і підвищення стабільності частоти в таких суматорах завдяки високої добротності відкритих резонаторів. Причина, що перешкоджає одержанню високої стабільності частоти і низького рівня фазових шумів, полягає в тому, що для функціонування суматорів в режимах з високим коефіцієнтом корисної дії об'єднання зовнішня добротність відкритих резонаторів має бути тим нижча, чим більша кількість елементів об'єднується. В другому типі відомих квазіоптичних суматорів підвищення потужності відбувається за рахунок підсилення сигналу двомірними плоскими решітками, складеними із десятків, а інколи і сотень транзисторних підсилювачів [дивись, наприклад, Quasi-Optical Planar Arrays with FET and Slots, IEEE Trans., 1993, vol. MTT-41, no.10, A 100-Element HBT Grid Amplifier, IEEE Trans., 1993, vol. MTT-41, A Passive Horn Structure with Transitions to Microstrip for Quasi-Optical Amplifier Arrays, 4-th Int. Conf. MM and SubMM Wa ves and Applications, 1998]. Принцип дії суматорів засновано на принципах функціонування антенних решіток, коли потужності окремих активних елементів складаються у просторі. Слід зазначити, що решітки транзисторних модулів цікаві як підсилювачі у складі передавачів сигналів з широкою смугою частот. Але гетеродини, які можуть бути розроблені завдяки існуючої в решітках електродинамічної взаємодії активних елементів, будуть мати низьку стабільність частоти і високий рівень фазових шумів, оскільки добротність резонаторної системи таких суматорів не здатна перевищити декілька десятків одиниць. Найбільш близьким до об'єкта, що заявляється, є квазіоптичний суматор потужностей [A Perpendicularly-Fed Patch Arra y for Quasi-Optical Power Combining, 1999 IEEE Microwave Theory Tech. Symp. Digest, pp.667-670], який містить решітку напівпровідникових хвилеводних модулів і дві решітки пристроїв зв'язку. Решітка модулів розташована проміж решіток пристроїв зв'язку таким чином, що осі хвилеводів перпендикулярні решіткам, а решітки пристроїв зв'язку виконані як мікрострічкові антенні решітки, які збуджуються відрізками перпендикулярно розташованих хвилеводів. Найбільш суттєва відмінна риса суматора перпендикулярне розміщення решіток пристроїв зв'язку - робить можливим використання багатокаскадних напівпровідникових модулів і технологічно цікаве у разі компанування цих модулів у шари. Привабливим для короткохвильової частини НДВЧ діапазону є також складання потужностей у просторі, оскільки апаратура у цьому діапазоні часто будується на квазіоптичних принципах. Таким чином, відомий квазіоптичний суматор є придатним для розроблення багатоелементного джерела 4 коливань потрібної для гетеродинів потужності у короткохвильовій частині НДВЧ діапазону, якщо для взаємної синхронізації напівпровідникових елементів застосовано електродинамічний зв'язок хвилеводів. Причини, що перешкоджають застосуванню відомого квазіоптичного суматора як гетеродина з високою стабільністю частоти і низьким рівнем фазових шумів, полягають у надто низькій добротності антенної решітки як спільного резонатора суматора, а також у наявності конкуруючи х некогерентних режимів збудження багатоелементної напівпровідникової системи поряд з режимом взаємної синхронізації елементів. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити відомий квазіоптичний суматор потужностей шляхом створення високодобротного відкритого резонатора і стійкої взаємної синхронізації напівпровідникових елементів, що забезпечить високу стабільність частоти і низький рівень фазових шумів суматора. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому квазіоптичному суматорі потужностей, що містить решітку напівпровідникових хвилеводних модулів, першу і другу решітки пристроїв зв'язку, розташованих з двох сторін відносно решітки модулів так, що осі хвилеводів перпендикулярні решіткам, а перша решітка пристроїв зв'язку виконана у вигляді мікрострічкової антенної решітки, згідно з винаходом на відстані від другої решітки пристроїв зв'язку перпендикулярно осям хвилеводів розміщено рефлектор так, що він у сукупності з другою решіткою пристроїв зв'язку утворює відкритий резонатор, а пристрої зв'язку др угої решітки виконані як пристрої зв'язку з відкритим резонатором. В іншій конкретній формі виконання пристрої зв'язку другої решітки виконані у вигляді металевих ди фракційних ґрат, нанесених на діелектричні підкладки, які розташовані в перерізах хвилеводів. Таким чином, за допомогою відкритого резонатора, який утворено рефлектором і другою решіткою пристроїв зв'язку, забезпечено режим стійкої взаємної синхронізації коливань напівпровідникових елементів в той час як потужності випромінювання елементів складаються у просторі за допомогою першої антенної решітки з високим коефіцієнтом корисної дії. Низький рівень фазових шумів забезпечено високою добротністю відкритого резонатора, у тому числі високою зовнішньою добротністю. Саме тому друга решітка пристроїв зв'язку повинна забезпечити достатньо слабкий зв'язок хвилеводів з резонатором, і пристрої зв'язку можуть бути виконані, як пропонується, у вигляді металевих дифракційних ґрат, нанесених на діелектричні підкладки, які розташовані в перерізах хвилеводів. Суть винаходу пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 зображено схему квазіоптичного суматора потужностей, а на Фіг.2 - осьовий переріз одного із модулів. Запропонований квазіоптичний суматор містить решітку 1 напівпровідникових хвилеводних модулів 2, розміщену проміж решітки З пристроїв зв'язку з простором і решітки 4 пристроїв зв'язку з 5 84164 відкритим резонатором. Відкритий резонатор утворено із решітки 4 і рефлектора 5. Осі хвилеводних модулів 2 паралельні осі симетрії квазіоптичного суматора потужностей і водночас перпендикулярні поверхням решіток 3 і 4. Рефлектор 5 розміщено перпендикулярно осі симетрії квазіоптичного суматора на деякій відстані від решітки 4. Рупорна антена 6 призначена для каналізації випромінювання антенної решітки 3 із простору у хвилевод і не є обов'язковою складовою квазіоптичного суматора. Пристрої зв'язку решітки 4 можуть бути виконані у вигляді металевих дифракційних ґрат 7. Більш детально будова окремого напівпровідникового модуля і пристроїв зв'язку цього модуля показано на Фіг.2. Окремі напівпровідникові модулі з двома пристроями зв'язку кожного із модулів складають решітку 1 напівпровідникових хвилеводних модулів і дві решітки 3 і 4 пристроїв зв'язку, відповідно. Пристрої зв'язку з відкритим резонатором містять металеві дифракційні ґрати 7, нанесені на діелектричні підкладки 8. Діелектричні підкладки 8 змонтовані в відрізках хвилеводів, а саме в отворах з прямокутним перерізом, що містяться у металевій пластині 9. Розміри прямокутного перерізу можуть відрізнятися від розмірів переріза хвилеводу 10. На Фіг. 2 зображено устрій двохтранзисторного модуля. Хвилевод 10 у сук упності з мікрострічковою лінією 11 складає електродинамічну лінію для підключення монолітних транзисторів 12. За допомогою цієї лінії збуджується мікрострічкова антена, що містить металевий резонатор 13 на діелектричній підкладці 14. Погодження імпедансів мікрострічкової антени і мікрострічкової лінії 11 відбувається за допомогою щілини прямокутного переріза у металевій пластині 15. Запропонований квазіоптичний суматор потужностей поєднує принцип синхронізації (і одночасно стабілізації частоти) джерел коливань за допомогою високодобротного відкритого резонатора і принцип суперпозиції у просторі електромагнітних полів, які створюються джерелами коливань, за методами антенних решіток. Суматор працює таким чином. Напівпровідникові модулі містять монолітні транзистори 12 (один чи декілька) підключені до мікрострічкової лінії 11, яка у сукупності з хвилеводом 10 складає електродинамічну лінію з імпедансом, узгодженим з імпедансом транзисторів 12. Кожен з модулів перетворюється у джерело коливань, якщо до транзисторів 12 подати необхідну потужність постійного струму, а зі сторони входів транзисторів 12 на певній відстані утворити неоднорідність, що має достатньо високий коефіцієнт відбиття. Такою неоднорідністю у нашому випадку є металеві дифракційні ґрати 7 на діелектричній підкладці 8. Якщо транзисторні модулі об'єднують у шари підсилювачів - потужність постійного струму може бути подана на транзистори 12 у спосіб, як це запропоновано у прототипі. Зауважимо, що модулі хвилеводних джерел коливань для 6 даного квазіоптичного суматора можуть бути також утворені на основі діодів Гана, лавиннопрольотних діодів або на транзисторах будь якого типу, не обов'язково в монолітному виконанні. Джерела коливань, які незалежно генерують, будуть взаємно синхронізовані, коли рефлектор 5 буде установлено на певній (резонансній) відстані від решітки 4 пристроїв зв'язку. Синхронізація відбувається за рахунок спільного для модулів поля відкритого резонатора. Коефіцієнт зв'язку хвилеводів 10 з відкритим резонатором має бути мінімально достатнім за критерієм взаємної синхронізації. У цьому разі фазові шуми суматора потужностей будуть мінімальними. Оптимізувати величину коефіцієнта зв'язку можна за допомогою вибору коефіцієнта заповнення металевих дифракційних ґрат 7 на діелектричній підкладці 8. Технічне рішення пристрою зв'язку щойно запропоновано нами поряд з методом математичного моделювання такого пристрою. Такий пристрій зв'язку технологічно придатний для використання у короткохвильовій частині НДВЧ діапазону, тому що діелектрична підкладка 8 виконана, наприклад, із полікору, цілком заповнює переріз хвилеводу 10, а металеві грати 7 можуть бути нанесені на поверхню підкладки методами фотолітографії. Потужності джерел коливань складаються у просторі за допомогою антенної решітки 3 так само як це вирішено у прототипі. Наприклад, може бути використана рупорна антена 6 для каналізації випромінювання антенної решітки 3 із простору у хвилевод. Можливе також застосування лінз для зв'язку з квазіоптичними лініями, або безпосереднє збудження розділювальної пластини квазіоптичного напівпровідникового змішувача. Джерела коливань доцільно розробити таким чином, щоб імпеданс мікрострічкової лінії 11 у хвилеводі 10 дорівнював імпедансу електродинамічної структури мікрострічкова антена 13-14 з щілиною збудження у металевому екрані 15". Взаємні відстані модулів джерел коливань не повинні перевищувати однієї довжини хвилі, як це обґрунтовується у теорії антенних решіток, щоб уникнути появи бокових пелюстків. Не обов'язково дотримуватися періодичного розміщення джерел коливань. З точки зору ефективності збудження відкритого резонатора існують більш оптимальні розміщення. Має також значення таке розміщення пристроїв зв'язку на рефлекторах, що дає уникнути сильного взаємного зв'язку модулів коливань. (Теоретично зв'язок може бути зменшений до нуля). Щойно нами запропоновані математичні моделі, які дадуть можливість оптимізувати взаємне розміщення модулів. Таким чином, запропоновано технічне рішення квазіоптичного суматора потужностей джерел коливань, яке сповна використовує енергетичні можливості активних елементів при мінімальних витратах потужностей на стабілізацію частоти і яке технологічно придатне для використання у короткохвильовой частинии НДВЧ діапазону. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 84164 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601
ДивитисяДодаткова інформація
Назва патенту англійськоюQuazi-optical power combiner
Автори англійськоюBulhakov Borys Mykhailovych, Hlamazdin Volodymyr Volodymyrovych, Karpovych Viktor Arkadiiovych, Nazarov Mykhailo Petrovych, Nechaev Oleh Hennadiiovych, Rodionova Valentyna Mykolaivna, Skresanov Valerii Mykolaiovych, Shubnyi Oleksandr Ivanovych
Назва патенту російськоюКвазиоптический сумматор мощностей
Автори російськоюБулгаков Борис Михайлович, Гламаздин Владимир Владимирович, Карпович Виктор Аркадиевич, Натаров Михаил Петрович, Нечаев Олег Геннадиевич, Родионова Валентина Николаевна, Скресанов Валерий Николаевич, Шубний Александр Иванович
МПК / Мітки
Мітки: квазіоптичний, потужностей, суматор
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/4-84164-kvazioptichnijj-sumator-potuzhnostejj.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Квазіоптичний суматор потужностей</a>
Попередній патент: Комплексна добавка в бетонні суміші і будівельні розчини
Наступний патент: Двоступінчастий вакуумний шприц
Випадковий патент: Спосіб одержання кристалічного ортофосфату нікелю(іі)