Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микрополосковые резонаторы и СВЧ-устройства на их основе. Учебное пособие
.pdf
омных и низкоомных участков нерегулярного резонатора и макси-
2 1
Z Z
0.4
н
в
пФ
=
в
U
(
)
в
F U
10
F
в
0
=
мальное отношение
Fв/ F
7
6
5
4
3
2
.
1
0
0 0.2
от относительной длины высокоомного участка резонатора
0.6 0.8 1.0
Рис. 3.21. Зависимость ширины полосы перестройки
L1 / (L1+ L2)
На рис. 3.22 построено распределение электрического напряжения по длине рассматриваемого составного резонатора для первых четырех мод. Сплошные линии показывают распределение напряжения
при емкости варактора
C
2
, а штриховые – при Cв → ∞. Для
четных (неперестраиваемых) мод сплошные и штриховые линии совпадают.
На рис. 3.23 приведены экспериментальные зависимости
резонансной частоты первого наинизшего типа колебаний перестраиваемого МПР от напряжения на варакторе
для трех образцов,
полученные в работе [48]. Для удобства сравнения кривые
нормированы на начальную частоту своего резонатора
131
при
U
1
.
0
пФ
= ∞
U
Мода 4
0
U
0
U
X, мм
Мода 3
X, мм
0
Мода 2
U
0
0
0
0
Рис. 3.22. Распределение напряжения по длине резонатора
для первых четырех мод колебаний. Сплошные линии –
штриховые –
C
в
Мода 1
C =
в
2
X, мм
X, мм
,
132
Образец № 1 был выполнен на сплошной подложке из поликора
1 ммh
=
ГГц
=
0 10 20 30
40 50
1
2
4
1
0
Вп = 1,4
1
3
Вп = 4,5
1
=
3
=
30
=
1 ммh
=
(
)
мм
+ =
толщиной
. Он представлял собой регулярный МПР, в котором в разрыв полоскового проводника, сделанный в его середине,
включался варакторный диод КВ 109Б. Полосковый проводник имел
длину 30 мм и ширину 5 мм. Таким образом, образец № 1 не имел
скачков волнового сопротивления. А его начальная частота была равна
F
10
1,3
.
F1 / F
3
2
Вп = 1,9
U, В
Рис. 3.23. Зависимости относительной частоты первой моды резонатора
от напряжения на варакторе:
1
– регулярный резонатор (
3
– резонатор с СВС (
Z Z
1 2
); 2 – резонатор с СВС (
Z Z
1 2
) [48]
Z Z
1 2
);
Образец № 2 также был выполнен на сплошной подложке из поликора толщиной
тивления, обусловленные изменением ширины полоскового провод-
. Однако он имел скачки волнового сопро-
ника (см. рис. 3.18). Полная длина полоскового проводника была
2 22
равна
133
L L
1 2
, длина его крайних низкоомных участков
2
мм
L
=
2
мм
=
1
мм
=
ГГц
=
2
мм
=
2
мм
=
1
мм
=
1
мм
=
МГц
=
п 1 макс 10
B F F
=
п
1, 4
=
п
1,9
=
п
4,5
=
1 2
3
=
1 2
30
=
5
. Ширина крайних низкоомных участков
w
5
, шири-
на средних высокоомных участков
w
1
. В этом образце также
использовался варакторный диод КБ 109Б, а его начальная частота
была равна
F
10
1, 2
. Благодаря тому, что длина регулярного
резонатора (образец № 1) больше, чем длина резонатора с СВС (образец № 2), их начальные частоты были приблизительно равны.
Образец № 3 представлял собой составной резонатор (см. рис. 3.19).
В нем использовался варакторный диод КВ 119А. Крайние участки
резонатора были выполнены в виде отрезков МПЛ на подложке из
керамики Т-150 толщиной 1 мм. Полосковые проводники этих отрезков линий имели длину
L
12
и ширину
w
5
. Средние
высокоомные участки резонатора были выполнены в виде отрезков
несимметричной воздушной полосковой линии. Их полосковые проводники имели длину
частота резонатора была равна
L
37
и ширину
10
120
F
5
w
. Начальная
.
Варакторные диоды, используемые в образцах № 1, 2 и образце
№ 3, имели различные начальные емкости, так как применялись в разных диапазонах частот. Однако они имели приблизительно одинаковые коэффициенты перекрытия емкости.
Вычисленные для трех образцов коэффициенты перестройки
частоты
второго образца
B
составили для первого образца
и для образца № 3
B
соответственно.
B
, для
Эксперимент показал, что наличие даже небольшого скачка волнового сопротивления в образце № 2 (
Z Z
) повысило величину пере-
стройки с 40 до 90 %. А образец № 3, имеющий скачок волнового
сопротивления
Z Z
, перестраивался по частоте аж на 350 %.
При этом добротность резонатора изменялась от 120 до 200.
Конструирование СВЧ-фильтров на МПР с варакторной перестройкой частоты является сложной технической задачей. И главная
трудность здесь заключается в том, что при изменении емкости варактора меняется структура высокочастотных полей в резонаторе (см.
рис. 3.22), а значит, и связь между резонаторами в фильтре. Это приводит к сильному искажению АЧХ фильтра, появлению изрезанности
его характеристики. Однако настроить фильтр так, чтобы его АЧХ
те хотя бы в пределах октавы, можно.
плитудно-частотные характеристики фильтра на четвертьволновых
134
Для примера, на рис. 3.24 представлены экспериментальные ам-
резонаторах с варакторной перестройкой, частоты при различных на-
F
, ГГц
–
–
–
пряжениях на варакторах, также указанных на рисунке. Резонаторы
имели скачок волнового сопротивления, обусловленный как шириной
полоскового проводника, так и использованием подложек с различными диэлектрическими проницаемостями [48].
0.5
0
0.7
0.9
1.1
10 В
20 В 30 В
10
20
30
L, дБ
1 В
2 В
2 В
Рис. 3.24. АЧХ перестраиваемого фильтра на резонаторах
с СВС при изменении напряжения на варакторах [48]
Низкоомная часть резонаторов была изготовлена из керамики
ТБНС (ε = 150), а высокоомная – из поликора (ε = 9,8). Электрические
длины обоих участков были приблизительно одинаковы. На рис. 3.24
видно, что фильтр, построенный на этих резонаторах, перестраивался
в пределах несколько больше октавы, и при этом у него почти не изменялась амплитудно-частотная характеристика, а также прямые потери
в полосе пропускания, составившие величину около 5 дБ. Абсолютная
ширина полосы пропускания этого фильтра составила около 30 МГц.
Также эксперимент показал, что увеличение ширины полосы пропускания в четыре-пять раз снизило начальные потери до 1,5–2,0 дБ.
3.4. Г
НА МИКРОПОЛОСКОВЫХ РЕЗОНАТОРАХ
ЕНЕРАТОРЫ
СВЧ-
КОЛЕБАНИЙ
На микрополосковых резонаторах с использованием подложек
с высокой диэлектрической проницаемостью довольно просто реализуются миниатюрные генераторы СВЧ-колебаний, стабилизиро-
135
ванные по частоте [53] и перестраиваемые в широком диапазоне
2
R
3
R
4
R
2
C
1
C
МПЛ
2
1
R2
R3
С5
С3
–
Т
4
D
4
R1
в
3
C
частот [54].
Принципиальная схема транзисторного генератора на МПР с варакторной перестройкой частоты, реализованного в работе [48], изображена на рис. 3.25. Транзистор Т включен по схеме с общей базой.
Режим его питания задается с помощью резистора
и
. Емкость
совместно с индуктивностью L базового вывода
и делителя
транзистора образует низкодобротный последовательный контур,
настроенный на среднюю частоту колебаний. Перестраиваемый
четвертьволновой микрополосковый резонатор, изготовленный из керамики ТБНС, включен в цепь эмиттера и по высокой частоте соединен с корпусом через шунтирующую емкость
. Положительная
обратная связь в генераторе осуществляется за счет электромагнитной
связи МПР с микрополосковой линией, включенной в качестве
нагрузки в коллекторную цепь транзистора.
МПР
U
КВ 109Б
С
КТ 918А
С
С
R
+
Рис. 3.25. Схема генератора с варакторной
перестройкой частоты [48]
Конец полоскового проводника МПЛ закорочен на корпус по
высокой частоте через емкость
обычно выбирается такой, чтобы обеспечить наименьшую неравномерность амплитудно-частотной характеристики генератора в полосе
. Длина микрополосковой линии
136
перестройки. На выходе генератора стоит разделительная емкость
4
C
5
C
в
U
2
1
3
1
C
1
C
1
C
2
C
3
C
5
C
2
R
3
R
(1 1,5)
дБ
± −
в
U
.
А большая величина емкости
исключает проникновение СВЧ-
мощности в цепь питания генератора. Управление частотой генерации осуществляется путем изменения напряжения
на варакторном
диоде D.
Рис. 3.26. Перестраиваемый МПР:
1
– емкость
; 2 – варактор; 3 – подложка резонатора
Четвертьволновой резонатор генератора с варактором и емкостью
,
из металлизированной керамики Т-150 или Т-250 толщиной 0,5–1,0 мм.
Генератор собирается в металлическом корпусе размерами
40×30×12 мм3. Как правило, настройка генератора сводится к подбору
сопротивлений
с МПЛ путем поворотов микрополоскового резонатора или линии.
питания средняя мощность исследованных генераторов составляла
величину от 10 мВт до 1,0 Вт. В полосе перестройки порядка одной
октавы генераторы имели неравномерность выходной мощности
не хуже
частоты F и мощности генератора Р от напряжения на варакторе
при использовании в генераторе транзистора КТ 918А. При необхо-
изображен на рис. 3.26. Все шунтирующие емкости в схеме
,
и
и микрополосковая линия могут быть изготовлены
и
и установлению оптимальной связи МПР
В зависимости от используемого транзистора и напряжения
. На рис. 3.27 показаны типичные зависимости
димости полосу перестройки частоты генератора можно увеличить,
используя перестраиваемые резонаторы с большими СВС. И наобо-
137
рот, в случае, когда требуются небольшие полосы перестройки, ва-
10 20 30 40
F
, ГГц
рактор припаивается ближе к короткозамкнутой части МПР. При этом
уменьшается связь варактора с резонатором, увеличивается добротность МНР, и, как следствие, улучшаются электрические характеристики перестраиваемого генератора.
P, дБ Вт
1.3
0
–1
–2
–3
0
1.2
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
Uв, В
Рис. 3.27. Зависимости частоты перестраиваемого СВЧ-генератора
и уровня выходной мощности от напряжения на варакторе [48]
По аналогичной схеме можно реализовать генераторы, стабилизированные по частоте микрополосковыми резонаторами (рис. 3.28).
В этом случае в схеме используются два одинаковых четвертьволновых МПР, один из которых включен в качестве нагрузки в коллекторную цепь транзистора (вместо МПЛ) и имеет низкую нагруженную
добротность из-за сильной связи с выходной линией генератора.
Второй МПР, высокодобротный, включен в эмиттерную цепь со
слабой связью. Именно этим резонатором определяется частота генератора и стабильность. На вставке рис. 3.28 показан четвертьволновой
МПР вместе с шунтирующей емкостью и показаны примерные точки
соединения резонаторов с эмиттером и коллектором транзистора.
Двухрезонаторная схема позволяет достаточно легко подбирать необходимую для устойчивой генерации обратную связь посредством
взаимного перемещения и разворота резонаторов, а также выбором
точки подключения эмиттера и коллектора к МПР.
Генераторы, собранные на транзисторах 2Т 640А-2 и работающие на частотах 1,2 ГГц и 3,0 ГГц, имели полезную мощность 20 мВт
при напряжении питания 12 В. Изменение напряжения питания гене-
138
раторов от 8 В до 20 В монотонно увеличивает выходную мощность
МПР
2
3
С2
С1
R1
С5
2
R3
U
пит
10 В
+
–
МПР
1
С4 Т
от 5 до 60 мВт. При этом, как было показано в работе [48], сначала
наблюдалось медленное увеличение частоты генерации, а затем – ее
уменьшение приблизительно на 0,1 %. Слабо выраженный максимум
частоты лежал в пределах 11–15 В. Это изменение частоты генерации
(рис. 3.29) связано с тем, что при варьировании напряжения питания в
широких пределах менялось сопротивление перехода транзистора
«база – эмиттер», являющегося нагрузкой для МПР. Это, в свою
очередь, приводило к небольшому изменению собственной частоты
резонатора.
К
2Т 640А-2
С
R
Э
Рис. 3.28. Схема генератора СВЧ, стабилизированного
по частоте микрополосковыми резонаторами [48]
Долговременная нестабильность частоты генераторов без стабилизации температуры составляет порядка 10–5, а при размещении генератора в термостате – порядка 10–6.
На рис. 3.30 показаны экспериментальные зависимости изменения частоты генерации в течение 8 часов с момента включения [48].
Для улучшения температурной стабильности генераторов необходимо
как можно сильнее «развязать» транзистор и резонатор МПР1
(см. рис. 3.28) для того, чтобы температурные изменения сопротивления перехода «база – эмиттер» не влияли на собственную частоту
резонатора. С этой целью лучше всего использовать схемы на полевых транзисторах.
139
8
12 16
0
30
пит
, В
∆
0
1.0
2.
0
2 3
5 6
8
–
–
–
∆
F
, КГц
F, МГц
P, мВт
60
U
Рис. 3.29. Зависимость выходной мощности и частоты
от напряжения питания генераторов [48]
80
60
40
20
0
1
20
4
Т, час
7
40
60
Рис. 3.30. Изменение частоты от времени
с момента включения генераторов:
1
– при комнатной температуре; 2 – в термостате [48]
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]