eng
Выпуск #4/2020
В.Геворкян, В.Кочемасов, В.Шадский
ГЕНЕРАТОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ. Часть 2
ГЕНЕРАТОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ. Часть 2
Просмотры: 1219
DOI: 10.22184/1992-4178.2020.195.4.102.113
Генераторы с применением диэлектрических резонаторов. Часть 2
В. Геворкян, к. т. н.1, В. Кочемасов, к. т. н.2, В. Шадский, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной во втором номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано об особенностях, основных характеристиках и методах расчета генераторов с диэлектрическими резонаторами. В данном номере рассматриваются возможные частотные диапазоны, конструктивное исполнение, типы и производители данных устройств.
Возможные частотные диапазоны АГДР
Частотный диапазон АГДР ограничен снизу размерами ДР, пропорциональными . Поэтому на частотах до ~1 ГГц рационально применять коаксиальные резонаторы (КР). Сверху диапазон применения ДР в АГ ограничен увеличением тангенса угла диэлектрических потерь материалов. При этом рациональные предельные значения частот АГДР не превышают 40–50 ГГц. На этих частотах образцы ДР с низшим видом колебаний из диэлектриков с относительной проницаемостью менее 20 представляют собой диски диаметром 1–2 мм при толщинах около 0,5 мм, что соизмеримо с размерами активных элементов и удобно для их конструктивного сочетания. При этом эффективные добротности таких резонаторов не превышают 1 000 [8], что отрицательно сказывается на фазовых шумах генераторов. Тем не менее, в диапазоне частот до 50 ГГц известны удачные технические решения, например, АГДР (рис. 21) с выходной мощностью 20 мВт на частоте 37,5 ГГц с колебательной системой, показанной на рис. 22 [17], и генератор, работающий на частоте 37 ГГц, фирмы SAGE Millimeter [18]. Последний (рис. 23) [19] характеризуется выходной мощностью 13 дБм, диапазоном механической перестройки частоты ±50 МГц, долговременной относительной стабильностью частоты ±4 · 10–6, спектральной плотностью фазовых шумов –95 дБн / Гц при отстройке от несущей на 100 кГц (примерно –75 дБн / Гц при отстройке от несущей на 10 кГц). Размеры этого генератора – 64,77 × 33,78 × 28,70 мм.
Изменение характеристик АГДР по мере увеличения рабочей частоты можно проследить, анализируя данные табл. 6 для серии устройств, выпускаемых компанией MITEQ [20].
Продвижение генераторов непрерывной мощности с ДР в более высокочастотную область реализуется производителями устройств с применением умножения частоты. При этом создание АГДР, рассчитанного на ту же частоту 37 ГГц, с применением умножения обеспечит спектральную плотность при отстройке на 10 кГц около –74 дБн / Гц, то есть на уровне параметра непосредственно АГДР. Отсюда следует, что каскадно с автогенератором включенный умножитель частоты не дает преимуществ ни по уровню выходной мощности, которая уменьшается на каждой ступени умножения, ни по уровню фазовых шумов. Таким образом, применение умножителей лишь упрощает процесс проектирования, сокращая число разработок частотных литер АГДР.
Конструктивное исполнение АГДР
Конструкция АГДР формируется из генерирующего узла и линии вывода мощности. Генерирующий узел обычно реализуется в микрополосковом исполнении и включает транзистор или другой усилительный элемент и ДР, установленный на держателе или подложке линии вблизи элемента связи (рис. 24). Общий вид конструкции АГДР определяется корпусом и видом линии вывода мощности или соединителя. Чаще всего в АГДР применяется коаксиальный соединитель, а переход к нему от генерирующего узла осуществляется посредством микрополосково-коаксиального перехода (рис. 25). Реже для вывода мощности от генераторного узла применяют волновод, связь с которым обеспечивает микрополосково-волноводный переход (рис. 26). Волноводный вывод мощности АГДР характерен для диодных автогенераторов (рис. 27) и АГДР миллиметрового диапазона длин волн (КВЧ‑диапазона). В последнее время широко применяют генерирующие узлы в виде структур с микрополосковыми линиями вывода мощности для поверхностного монтажа. Генератор, размещенный в корпусе с микрополосковым соединителем, показан на рис. 28 [18].
Типы и производители АГДР
АГДР широко представлены на зарубежном рынке [16, 17, 18, 21–49]. Обилие выпускаемых изделий определяется достаточно глубокой и всесторонней проработкой вопросов проектирования ДР разных типов и АГДР на их основе за прошедшие четыре десятка лет. Частотный диапазон автогенераторов с применением ДР низшего вида колебаний находится в пределах от 0,5 до 50 ГГц.
Генераторы с ДР могут быть как несинхронизированными – автогенераторами (free running), так и с синхронизацией (рис. 29) при включении в их состав системы ФАПЧ (phase-locked loop, PLL). Работа на частотах более 50 ГГц, а иногда и меньших, обеспечивается при дополнении автогенераторов умножителями частоты. Непосредственно автогенераторы представляют самостоятельный интерес, так как широко используются в большинстве радиоэлектронных устройств.
Генераторы фиксированных частот не предполагают перестройку частоты автоколебаний, хотя принципиально содержат элементы механической перестройки частоты ДР, которая ограничена требованиями ее технологической подстройки и обычно не превышает 0,5%. Простейший и практически единственный вариант такого элемента перестройки частоты ДР – диск, перемещаемый ортогонально плоскости стенки ДР (см. рис. 2). Диаметр диска может быть различным. При малых перестройках диск заменяют на металлические или диэлектрические стержни (штыри).
Элементы перестройки частоты вносят искажения в структуру полей ДР и приводят к дополнительным потерям, что уменьшает собственную добротность ДР и колебательной системы генератора в целом. При этом применение металлического элемента перестройки частоты понижает эффективную добротность ДР сильнее (см. табл. 2).
Внешний вид АГДР, типичные кривые зависимости частоты генерации от напряжения питания (рис. 30) [20], спектральные (рис. 31) [20] и иные электрические характеристики АГДР разных производителей, работающих в одинаковых частотных диапазонах, практически одинаковы. Отметим также, что генераторы фиксированных частот и генераторы с механической перестройкой частоты генерации по внешнему виду между собой практически неотличимы.
Характеристики АГДР фиксированных частот разных производителей приведены в табл. 7.
Генераторы с механической перестройкой частоты отличаются от АГДР фиксированных частот только увеличением коэффициента связи элемента перестройки с ДР и, соответственно, увеличением диапазона перестройки частоты ДР.
Простейший вариант такого технического решения – увеличение диаметра диска перестройки. В этом случае изменение частоты имеет экспоненциальный характер при удалении элемента перестройки от поверхности ДР. Известный вариант широкополосной и одновременно линейной перестройки частоты АГДР (не менее 10%) достигается применением специфической (экспоненциального вида) формы поверхности элемента перестройки частоты ДР в колебательной системе автогенератора [50], повторяющей функцию убывания внешних полей ДР.
Динамику изменения параметров таких автогенераторов с ДР по мере увеличения их рабочей частоты можно проследить, анализируя табл. 8.
Температурно стабильные АГДР. Одна из важных характеристик АГДР – долговременная стабильность частоты, которая в основном определяется ее температурной стабильностью, проявляющейся в малом дрейфе частоты генерации в рабочем температурном диапазоне. Она обусловлена постоянством резонансной частоты колебательной системы и реактивных элементов эквивалентной схемы замещения активного элемента. При реальной (не бесконечной) добротности колебательной системы температурная стабильность частоты автоколебаний может быть достигнута посредством взаимной температурной компенсации изменений свойств различных элементов.
Требуемые значения ТКЧ ДР обеспечиваются выбором определенных значений температурных коэффициентов относительной диэлектрической проницаемости (ТКεr) диэлектрика. Кроме того, возможно (и так делали в первое время при создании АГДР) применение различных, в основном механических, термокомпенсаторов изменений резонансной частоты ДР, например в виде биметаллических пластин, которые в процессе нагрева или охлаждения, искривляясь, придвигались или отодвигались от поверхности ДР, смещая его резонансную частоту в нужную сторону. Заметим, что управление частотой ДР в рабочем диапазоне температур с помощью выбора ТКεr отличается меньшим влиянием на добротность колебательной системы и потому более рационально.
По существу любой АГДР снабжен системой термостабилизации частоты генерации. Тем не менее в некоторых случаях предпринимаются более тонкие подстройки в устройствах термокомпенсации, что выделяет такие конструктивные решения АГДР в отдельный вид АГДР с температурной компенсацией частоты (табл. 9).
Типичные значения температурной стабильности частоты АГДР вне зависимости от частотного диапазона составляют порядка 10–6 1 / °C [20]. Значения параметров частотной термостабильности АГДР разных производителей показывают, что характеристики устройств практически не различаются.
Надо заметить, что реализация повышенной температурной стабильности, достигаемая с помощью различных компенсаторов, приводит к ухудшению эффективной добротности ДР и, соответственно, росту фазовых шумов. Поэтому АГ с ординарной температурной стабильностью (то есть без компенсации) обладают в среднем на 5 дБ меньшими фазовыми шумами.
Характерный вид температурной зависимости частоты сигнала АГДР с термокомпенсацией резонансной частоты ДР на примере генератора фирмы MITEQ [20] приведен на рис. 32 [15].
АГДР со сверхнизким уровнем фазовых шумов. В зарубежной аббревиатуре такие генераторы называют Ultra Low Phase Noise DRO. Как правило – это генераторы фиксированных частот. К ним относятся, например, АГ с фазовыми шумами до –125 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от несущей частоты 8 ГГц фирмы Hittite Microwave Corporation [25] (в настоящее время – Analog Devices). Генераторы этого класса проще всего реализуются на отдельных частотах рабочего диапазона биполярных транзисторных СВЧ‑генераторов c использованием дополнительно к внешним – внутренних обратных связей АЭ. Это позволяет на основе ДР с низшим видом колебаний даже при эффективной добротности 1 000–3 000 достичь очень высокой кратковременной стабильности. Внешний вид таких генераторов практически не отличается от типичных АГДР (см., например, рис. 33 [17, 18] и рис. 34 [9] в сравнении с рис. 14). Более интересны характеристики АГДР такого же класса фирмы Synergy Microwave Corporation [18], но в варианте для поверхностного монтажа. Например, SDRO1000-8, который представляет собой генератор с механически перестраиваемой частотой генерации ДР, работающий на частоте 10 ГГц. В нем предусмотрена также варакторная перестройка частоты на 50 МГц путем изменения напряжения от 1 до 15 В (с крутизной 0,4 МГц / В). Генератор обладает фазовыми шумами –107 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от центральной частоты. Важно и то, что генератор работает в диапазоне температур от –15 до 75 °C.
Современные ГУН с ДР. Современные ГУН с ДР разных производителей внешне похожи на АГДР с механической перестройкой частоты. Это видно из сравнения устройств, приведенных на рис. 35 [34], где на рис. 35а представлен АГДР с механической подстройкой частоты, а на рис. 35б – АГДР обладающий и электрической перестройкой.
Более того, как правило, всякий ГУН принципиально снабжен элементом механического управления частотой (точнее, резонансной частотой ДР) для вывода устройства в рабочую частотную точку. Частотные зависимости характеристик ГУН ведущих производителей практически одинаковы и соответствуют представленным в табл. 10 [49] и на рис. 36 [51], а характеристики ГУН разных фирм приведены в табл. 11.
Кроме ГУН производят АГДР с комбинированной (то есть и электрической, и механической, доступной в процессе эксплуатации, а не только изготовителю устройства) перестройкой частоты. Причем такие АГДР имеют характеристики практически одинаковые с ГУН (ср. данные табл. 11 и 12).
Это объясняется тем, что основное влияние на свойства колебательной системы АГ (в основном на ее добротность) оказывает добротность варакторного диода, а не элемент механической перестройки частоты.
АГДР для поверхностного монтажа. Заметим, что в последние годы бόльший интерес производителей сосредоточен на конструкциях с микрополосковыми выводами (рис. 29, рис. 37 [16]), отличающихся более низкой стоимостью. Вид соединителя не влияет на параметры АГДР. Так, АГДР, показанный на рис. 29, обладает чрезвычайно низким уровнем фазовых шумов (–115 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от центральной частоты генерации).
Изделие, представленное на рис. 37, характеризуется средним уровнем шумов, соответствующим сантиметровому диапазону длин волн (от 4,5 до 15 ГГц). Более ранний (по времени создания) АГДР (MODRO‑40G фирмы Milli Optics Inc. [46], в настоящее время снятый с производства из-за исчезновения производителя), хотя и имеет высокий уровень фазовых шумов (–70 дБн / Гц при отстройке от несущей на 10 кГц), но это связано с более высокими рабочими частотами и особенностями элементной базы изделия.
Отметим, что АГДР ведущих фирм практически идентичны не только по комплексу параметров, но и по внешнему виду. Это видно из сравнения внешнего вида АГДР разных фирм и является следствием хорошо отработанной технологии их создания. Конструктивное подобие – результат ограниченного выбора вариантов возможного включения активного элемента или транзистора в цепи АГ.
Литература
Алексейчик Л. В., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Парышкуро Л. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть II. Пассивные и активные СВЧ‑устройства с миниатюрными диэлектрическими резонаторами // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 2 (865). 1982. 66 с.
Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители. Часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 4. С. 62–76.
Liang E. C. Characterization and modeling of high Q dielectric resonators // Microwave Journal. Nov. 2016. P. 68–86.
Диэлектрические резонаторы / Под ред. проф. М. Е. Ильченко. – М.: Радио и связь, 1989. 328 с.
Белов Л., Хилькевич В. Генераторы с диэлектрическими резонаторами для стабилизации частоты // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2006. № 7. С. 54–59.
Абраменков А. И., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Ковтунов Д. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в перестраиваемых полупроводниковых генераторах / Под ред. Геворкяна В. М. – Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 5 (1359). 1988. 70 с.
Amir Effendy Muhammad-Afifi, Widad Ismail. High Tuning Sensitivity Dielectric Resonator Oscillator From Optimization of Dielectric Resonator TE01δ Mode. Technical Feature // Microwave Journal. October 2011. P. 128–142.
Бунин А. В., Вишняков С. В., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А. Проектирование колебательной системы генератора миллиметрового диапазона длин волн // 15-я Международная Крымская конференция «СВЧ‑техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2005), г. Севастополь, 12–17 сентября 2005 г. Том 2. Доклад № 106. С. 465–467.
Алексейчик Л. В., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Парышкуро Л. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть I. Параметры миниатюрных диэлектрических резонаторов на СВЧ и методы их расчета // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 13 (832). 1981. 97 с.
Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Михалин С. Н. Анализ СВЧ резонансной цепи с электрической перестройкой частоты с применением программы DesignLab 8.0 // Труды МКЭЭЭ‑2018. Сент. 24–28, 2018. Крым, Алушта. – М.: ЗНАК, 2018. С. 381–386.
Бунин А., Вишняков С., Геворкян В. Проектирование генератора миллиметрового диапазона длин волн // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2008. № 6. С. 106–110.
Free Running Dielectric Resonator Oscillator. Ultra Low Noise Microwave Signal Source Интернет-ресурс http://exodusdynamics.com/wp/wp-content/uploads/2014/10/EDRO‑1000.pdf
DRO Introduction REMEC. – Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com /
Güttich U. Active Elements Used in Microstrip Dielectric Resonator Oscillators // Microwave Journal. April 1996.
P. 92–96.
Phase-Locked Oscillator Products (Basic product description). Интернет-ресурс http://www.luffresearch.com/Phase-Locked_Oscillators.html
DRO Application Note D‑104: Phase-Locked DRO Characteristics. – Интернет-ресурс http://micro.apitech.com /
Hittite Microwave Corporation. Интернет-ресурс www.hittite.com
Synergy Microwave Corporation. Интернет-ресурс
www.synergymwave.com
SOD‑37301213-22-S1 Dielectric Resonator Oscillator, 37 GGz; ±13 dBm. SAGE Millimeter, Inc. – Microwave Journal February 13, 2014.
MITEQ. Интернет-ресурс www.miteq.com
Atlantic Microwave Ltd. (бренд AmRF). Интернет-ресурс www.amrf.co.uk
Linear Technology. Интернет-ресурс www.linear.com
STC Microwave Systems-Olektron (Crane Aerospace & Electronics). Интернет-ресурс www.craneae.com
General Microwave Corp (Herley Industries Incorporated). Интернет-ресурс http: / /www.kratosmed.com/gmcatalog
JSB Service Company. Интернет-ресурс www.jsbservice.com
Pascall Electronics Ltd. Интернет-ресурс www.pascall.co.uk
TRAK Microwave. Интернет-ресурс www.trak.com
Rodelco Electronics Corp. Интернет-ресурс
www.rodelco-usa.com
Magnum Microwave Corp. Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com/
Delphi Components, Inc. (Aura Systems Inc.). Интернет-ресурс www.aurasystems.com
Microwave Dynamics. Интернет-ресурс www.microwave-dynamics.com
Communication Techniques, Inc. (Herley Industries Incorporated). Интернет-ресурс http://www.kratosmed.com/
Amplus Communication Pte Ltd. Интернет-ресурс
www.amplus.com.sg
Nexyn Corporation. Интернет-ресурс www.nexyn.com
Jersey Microwave Limited. Интернет-ресурс
www.jerseymicrowave.com
Spectrum FSY Microwave. Интернет-ресурс
www.specwave.com
Lucix Corporation. Интернет-ресурс www.lucix.com
RADITEK. Интернет-ресурс www.raditek.com
KoSpace Co. Ltd. Интернет-ресурс www.kospace.com
Elcom Technologies Inc. Интернет-ресурс
https://fei-elcomtech.com/
Luff Research, Inc. Интернет-ресурс
www.luffresearch.com
Princeton Microwave Technology, Inc. Интернет-ресурс www.princetonmicrowave.com
Narda Microwave. Интернет-ресурс
www.nardamicrowave.com
Remec Magnum. Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com/
Herley Industries Inc. Интернет-ресурс
http://www.kratosmed.com/
Milli Optics Inc. Интернет-ресурс https://www.microwavejournal.com/articles/print/814-new-products
Herley-СТI. Интернет-ресурс http://www.kratosmed.com/
CTI Industries. Интернет-ресурс www.ctiind.com
Microwave Communications Laboratories, Inc. (MCLI).
Интернет-ресурс www.mcli.com
Абраменков А. И., Геворкян В. М. Перестраиваемый фильтр на диэлектрическом резонаторе.
Авт. свид. № 1185439 (СССР) от 2.11.79. МКИ Н01Р 1/20. БИ № 38, 15.10. 85.
Мальцев В. А., Мякиньков В. Ю., Рудый Ю. Б.,
Горюнов И. В., Гусев А. П., Лебедев В. Н.,
Тыртышников А. В., Чугуй А. П. Твердотельные СВЧ генераторы малой мощности (к 60-летию ФГУП «НПП «ИСТОК»). – Интернет-ресурс
http://nauchebe.net/2012/04/tverdotelnye-svch-generatory-maloj-moshhnosti-k‑60-letiyu-fgup-npp-istok
В. Геворкян, к. т. н.1, В. Кочемасов, к. т. н.2, В. Шадский, к. т. н.3
В первой части статьи, опубликованной во втором номере журнала «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес» за 2020 год, было рассказано об особенностях, основных характеристиках и методах расчета генераторов с диэлектрическими резонаторами. В данном номере рассматриваются возможные частотные диапазоны, конструктивное исполнение, типы и производители данных устройств.
Возможные частотные диапазоны АГДР
Частотный диапазон АГДР ограничен снизу размерами ДР, пропорциональными . Поэтому на частотах до ~1 ГГц рационально применять коаксиальные резонаторы (КР). Сверху диапазон применения ДР в АГ ограничен увеличением тангенса угла диэлектрических потерь материалов. При этом рациональные предельные значения частот АГДР не превышают 40–50 ГГц. На этих частотах образцы ДР с низшим видом колебаний из диэлектриков с относительной проницаемостью менее 20 представляют собой диски диаметром 1–2 мм при толщинах около 0,5 мм, что соизмеримо с размерами активных элементов и удобно для их конструктивного сочетания. При этом эффективные добротности таких резонаторов не превышают 1 000 [8], что отрицательно сказывается на фазовых шумах генераторов. Тем не менее, в диапазоне частот до 50 ГГц известны удачные технические решения, например, АГДР (рис. 21) с выходной мощностью 20 мВт на частоте 37,5 ГГц с колебательной системой, показанной на рис. 22 [17], и генератор, работающий на частоте 37 ГГц, фирмы SAGE Millimeter [18]. Последний (рис. 23) [19] характеризуется выходной мощностью 13 дБм, диапазоном механической перестройки частоты ±50 МГц, долговременной относительной стабильностью частоты ±4 · 10–6, спектральной плотностью фазовых шумов –95 дБн / Гц при отстройке от несущей на 100 кГц (примерно –75 дБн / Гц при отстройке от несущей на 10 кГц). Размеры этого генератора – 64,77 × 33,78 × 28,70 мм.
Изменение характеристик АГДР по мере увеличения рабочей частоты можно проследить, анализируя данные табл. 6 для серии устройств, выпускаемых компанией MITEQ [20].
Продвижение генераторов непрерывной мощности с ДР в более высокочастотную область реализуется производителями устройств с применением умножения частоты. При этом создание АГДР, рассчитанного на ту же частоту 37 ГГц, с применением умножения обеспечит спектральную плотность при отстройке на 10 кГц около –74 дБн / Гц, то есть на уровне параметра непосредственно АГДР. Отсюда следует, что каскадно с автогенератором включенный умножитель частоты не дает преимуществ ни по уровню выходной мощности, которая уменьшается на каждой ступени умножения, ни по уровню фазовых шумов. Таким образом, применение умножителей лишь упрощает процесс проектирования, сокращая число разработок частотных литер АГДР.
Конструктивное исполнение АГДР
Конструкция АГДР формируется из генерирующего узла и линии вывода мощности. Генерирующий узел обычно реализуется в микрополосковом исполнении и включает транзистор или другой усилительный элемент и ДР, установленный на держателе или подложке линии вблизи элемента связи (рис. 24). Общий вид конструкции АГДР определяется корпусом и видом линии вывода мощности или соединителя. Чаще всего в АГДР применяется коаксиальный соединитель, а переход к нему от генерирующего узла осуществляется посредством микрополосково-коаксиального перехода (рис. 25). Реже для вывода мощности от генераторного узла применяют волновод, связь с которым обеспечивает микрополосково-волноводный переход (рис. 26). Волноводный вывод мощности АГДР характерен для диодных автогенераторов (рис. 27) и АГДР миллиметрового диапазона длин волн (КВЧ‑диапазона). В последнее время широко применяют генерирующие узлы в виде структур с микрополосковыми линиями вывода мощности для поверхностного монтажа. Генератор, размещенный в корпусе с микрополосковым соединителем, показан на рис. 28 [18].
Типы и производители АГДР
АГДР широко представлены на зарубежном рынке [16, 17, 18, 21–49]. Обилие выпускаемых изделий определяется достаточно глубокой и всесторонней проработкой вопросов проектирования ДР разных типов и АГДР на их основе за прошедшие четыре десятка лет. Частотный диапазон автогенераторов с применением ДР низшего вида колебаний находится в пределах от 0,5 до 50 ГГц.
Генераторы с ДР могут быть как несинхронизированными – автогенераторами (free running), так и с синхронизацией (рис. 29) при включении в их состав системы ФАПЧ (phase-locked loop, PLL). Работа на частотах более 50 ГГц, а иногда и меньших, обеспечивается при дополнении автогенераторов умножителями частоты. Непосредственно автогенераторы представляют самостоятельный интерес, так как широко используются в большинстве радиоэлектронных устройств.
Генераторы фиксированных частот не предполагают перестройку частоты автоколебаний, хотя принципиально содержат элементы механической перестройки частоты ДР, которая ограничена требованиями ее технологической подстройки и обычно не превышает 0,5%. Простейший и практически единственный вариант такого элемента перестройки частоты ДР – диск, перемещаемый ортогонально плоскости стенки ДР (см. рис. 2). Диаметр диска может быть различным. При малых перестройках диск заменяют на металлические или диэлектрические стержни (штыри).
Элементы перестройки частоты вносят искажения в структуру полей ДР и приводят к дополнительным потерям, что уменьшает собственную добротность ДР и колебательной системы генератора в целом. При этом применение металлического элемента перестройки частоты понижает эффективную добротность ДР сильнее (см. табл. 2).
Внешний вид АГДР, типичные кривые зависимости частоты генерации от напряжения питания (рис. 30) [20], спектральные (рис. 31) [20] и иные электрические характеристики АГДР разных производителей, работающих в одинаковых частотных диапазонах, практически одинаковы. Отметим также, что генераторы фиксированных частот и генераторы с механической перестройкой частоты генерации по внешнему виду между собой практически неотличимы.
Характеристики АГДР фиксированных частот разных производителей приведены в табл. 7.
Генераторы с механической перестройкой частоты отличаются от АГДР фиксированных частот только увеличением коэффициента связи элемента перестройки с ДР и, соответственно, увеличением диапазона перестройки частоты ДР.
Простейший вариант такого технического решения – увеличение диаметра диска перестройки. В этом случае изменение частоты имеет экспоненциальный характер при удалении элемента перестройки от поверхности ДР. Известный вариант широкополосной и одновременно линейной перестройки частоты АГДР (не менее 10%) достигается применением специфической (экспоненциального вида) формы поверхности элемента перестройки частоты ДР в колебательной системе автогенератора [50], повторяющей функцию убывания внешних полей ДР.
Динамику изменения параметров таких автогенераторов с ДР по мере увеличения их рабочей частоты можно проследить, анализируя табл. 8.
Температурно стабильные АГДР. Одна из важных характеристик АГДР – долговременная стабильность частоты, которая в основном определяется ее температурной стабильностью, проявляющейся в малом дрейфе частоты генерации в рабочем температурном диапазоне. Она обусловлена постоянством резонансной частоты колебательной системы и реактивных элементов эквивалентной схемы замещения активного элемента. При реальной (не бесконечной) добротности колебательной системы температурная стабильность частоты автоколебаний может быть достигнута посредством взаимной температурной компенсации изменений свойств различных элементов.
Требуемые значения ТКЧ ДР обеспечиваются выбором определенных значений температурных коэффициентов относительной диэлектрической проницаемости (ТКεr) диэлектрика. Кроме того, возможно (и так делали в первое время при создании АГДР) применение различных, в основном механических, термокомпенсаторов изменений резонансной частоты ДР, например в виде биметаллических пластин, которые в процессе нагрева или охлаждения, искривляясь, придвигались или отодвигались от поверхности ДР, смещая его резонансную частоту в нужную сторону. Заметим, что управление частотой ДР в рабочем диапазоне температур с помощью выбора ТКεr отличается меньшим влиянием на добротность колебательной системы и потому более рационально.
По существу любой АГДР снабжен системой термостабилизации частоты генерации. Тем не менее в некоторых случаях предпринимаются более тонкие подстройки в устройствах термокомпенсации, что выделяет такие конструктивные решения АГДР в отдельный вид АГДР с температурной компенсацией частоты (табл. 9).
Типичные значения температурной стабильности частоты АГДР вне зависимости от частотного диапазона составляют порядка 10–6 1 / °C [20]. Значения параметров частотной термостабильности АГДР разных производителей показывают, что характеристики устройств практически не различаются.
Надо заметить, что реализация повышенной температурной стабильности, достигаемая с помощью различных компенсаторов, приводит к ухудшению эффективной добротности ДР и, соответственно, росту фазовых шумов. Поэтому АГ с ординарной температурной стабильностью (то есть без компенсации) обладают в среднем на 5 дБ меньшими фазовыми шумами.
Характерный вид температурной зависимости частоты сигнала АГДР с термокомпенсацией резонансной частоты ДР на примере генератора фирмы MITEQ [20] приведен на рис. 32 [15].
АГДР со сверхнизким уровнем фазовых шумов. В зарубежной аббревиатуре такие генераторы называют Ultra Low Phase Noise DRO. Как правило – это генераторы фиксированных частот. К ним относятся, например, АГ с фазовыми шумами до –125 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от несущей частоты 8 ГГц фирмы Hittite Microwave Corporation [25] (в настоящее время – Analog Devices). Генераторы этого класса проще всего реализуются на отдельных частотах рабочего диапазона биполярных транзисторных СВЧ‑генераторов c использованием дополнительно к внешним – внутренних обратных связей АЭ. Это позволяет на основе ДР с низшим видом колебаний даже при эффективной добротности 1 000–3 000 достичь очень высокой кратковременной стабильности. Внешний вид таких генераторов практически не отличается от типичных АГДР (см., например, рис. 33 [17, 18] и рис. 34 [9] в сравнении с рис. 14). Более интересны характеристики АГДР такого же класса фирмы Synergy Microwave Corporation [18], но в варианте для поверхностного монтажа. Например, SDRO1000-8, который представляет собой генератор с механически перестраиваемой частотой генерации ДР, работающий на частоте 10 ГГц. В нем предусмотрена также варакторная перестройка частоты на 50 МГц путем изменения напряжения от 1 до 15 В (с крутизной 0,4 МГц / В). Генератор обладает фазовыми шумами –107 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от центральной частоты. Важно и то, что генератор работает в диапазоне температур от –15 до 75 °C.
Современные ГУН с ДР. Современные ГУН с ДР разных производителей внешне похожи на АГДР с механической перестройкой частоты. Это видно из сравнения устройств, приведенных на рис. 35 [34], где на рис. 35а представлен АГДР с механической подстройкой частоты, а на рис. 35б – АГДР обладающий и электрической перестройкой.
Более того, как правило, всякий ГУН принципиально снабжен элементом механического управления частотой (точнее, резонансной частотой ДР) для вывода устройства в рабочую частотную точку. Частотные зависимости характеристик ГУН ведущих производителей практически одинаковы и соответствуют представленным в табл. 10 [49] и на рис. 36 [51], а характеристики ГУН разных фирм приведены в табл. 11.
Кроме ГУН производят АГДР с комбинированной (то есть и электрической, и механической, доступной в процессе эксплуатации, а не только изготовителю устройства) перестройкой частоты. Причем такие АГДР имеют характеристики практически одинаковые с ГУН (ср. данные табл. 11 и 12).
Это объясняется тем, что основное влияние на свойства колебательной системы АГ (в основном на ее добротность) оказывает добротность варакторного диода, а не элемент механической перестройки частоты.
АГДР для поверхностного монтажа. Заметим, что в последние годы бόльший интерес производителей сосредоточен на конструкциях с микрополосковыми выводами (рис. 29, рис. 37 [16]), отличающихся более низкой стоимостью. Вид соединителя не влияет на параметры АГДР. Так, АГДР, показанный на рис. 29, обладает чрезвычайно низким уровнем фазовых шумов (–115 дБн / Гц при отстройке на 10 кГц от центральной частоты генерации).
Изделие, представленное на рис. 37, характеризуется средним уровнем шумов, соответствующим сантиметровому диапазону длин волн (от 4,5 до 15 ГГц). Более ранний (по времени создания) АГДР (MODRO‑40G фирмы Milli Optics Inc. [46], в настоящее время снятый с производства из-за исчезновения производителя), хотя и имеет высокий уровень фазовых шумов (–70 дБн / Гц при отстройке от несущей на 10 кГц), но это связано с более высокими рабочими частотами и особенностями элементной базы изделия.
Отметим, что АГДР ведущих фирм практически идентичны не только по комплексу параметров, но и по внешнему виду. Это видно из сравнения внешнего вида АГДР разных фирм и является следствием хорошо отработанной технологии их создания. Конструктивное подобие – результат ограниченного выбора вариантов возможного включения активного элемента или транзистора в цепи АГ.
Литература
Алексейчик Л. В., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Парышкуро Л. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть II. Пассивные и активные СВЧ‑устройства с миниатюрными диэлектрическими резонаторами // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 2 (865). 1982. 66 с.
Геворкян В., Кочемасов В. Объемные диэлектрические резонаторы – основные типы, характеристики, производители. Часть 1 // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2016. № 4. С. 62–76.
Liang E. C. Characterization and modeling of high Q dielectric resonators // Microwave Journal. Nov. 2016. P. 68–86.
Диэлектрические резонаторы / Под ред. проф. М. Е. Ильченко. – М.: Радио и связь, 1989. 328 с.
Белов Л., Хилькевич В. Генераторы с диэлектрическими резонаторами для стабилизации частоты // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2006. № 7. С. 54–59.
Абраменков А. И., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Ковтунов Д. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в перестраиваемых полупроводниковых генераторах / Под ред. Геворкяна В. М. – Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 5 (1359). 1988. 70 с.
Amir Effendy Muhammad-Afifi, Widad Ismail. High Tuning Sensitivity Dielectric Resonator Oscillator From Optimization of Dielectric Resonator TE01δ Mode. Technical Feature // Microwave Journal. October 2011. P. 128–142.
Бунин А. В., Вишняков С. В., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А. Проектирование колебательной системы генератора миллиметрового диапазона длин волн // 15-я Международная Крымская конференция «СВЧ‑техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2005), г. Севастополь, 12–17 сентября 2005 г. Том 2. Доклад № 106. С. 465–467.
Алексейчик Л. В., Бродуленко И. И., Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Парышкуро Л. А. Состояние и перспективы применения миниатюрных диэлектрических резонаторов в радиоэлектронике. Часть I. Параметры миниатюрных диэлектрических резонаторов на СВЧ и методы их расчета // Обзоры по электронной технике. Серия 1. Электроника СВЧ. Вып. 13 (832). 1981. 97 с.
Геворкян В. М., Казанцев Ю. А., Михалин С. Н. Анализ СВЧ резонансной цепи с электрической перестройкой частоты с применением программы DesignLab 8.0 // Труды МКЭЭЭ‑2018. Сент. 24–28, 2018. Крым, Алушта. – М.: ЗНАК, 2018. С. 381–386.
Бунин А., Вишняков С., Геворкян В. Проектирование генератора миллиметрового диапазона длин волн // ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2008. № 6. С. 106–110.
Free Running Dielectric Resonator Oscillator. Ultra Low Noise Microwave Signal Source Интернет-ресурс http://exodusdynamics.com/wp/wp-content/uploads/2014/10/EDRO‑1000.pdf
DRO Introduction REMEC. – Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com /
Güttich U. Active Elements Used in Microstrip Dielectric Resonator Oscillators // Microwave Journal. April 1996.
P. 92–96.
Phase-Locked Oscillator Products (Basic product description). Интернет-ресурс http://www.luffresearch.com/Phase-Locked_Oscillators.html
DRO Application Note D‑104: Phase-Locked DRO Characteristics. – Интернет-ресурс http://micro.apitech.com /
Hittite Microwave Corporation. Интернет-ресурс www.hittite.com
Synergy Microwave Corporation. Интернет-ресурс
www.synergymwave.com
SOD‑37301213-22-S1 Dielectric Resonator Oscillator, 37 GGz; ±13 dBm. SAGE Millimeter, Inc. – Microwave Journal February 13, 2014.
MITEQ. Интернет-ресурс www.miteq.com
Atlantic Microwave Ltd. (бренд AmRF). Интернет-ресурс www.amrf.co.uk
Linear Technology. Интернет-ресурс www.linear.com
STC Microwave Systems-Olektron (Crane Aerospace & Electronics). Интернет-ресурс www.craneae.com
General Microwave Corp (Herley Industries Incorporated). Интернет-ресурс http: / /www.kratosmed.com/gmcatalog
JSB Service Company. Интернет-ресурс www.jsbservice.com
Pascall Electronics Ltd. Интернет-ресурс www.pascall.co.uk
TRAK Microwave. Интернет-ресурс www.trak.com
Rodelco Electronics Corp. Интернет-ресурс
www.rodelco-usa.com
Magnum Microwave Corp. Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com/
Delphi Components, Inc. (Aura Systems Inc.). Интернет-ресурс www.aurasystems.com
Microwave Dynamics. Интернет-ресурс www.microwave-dynamics.com
Communication Techniques, Inc. (Herley Industries Incorporated). Интернет-ресурс http://www.kratosmed.com/
Amplus Communication Pte Ltd. Интернет-ресурс
www.amplus.com.sg
Nexyn Corporation. Интернет-ресурс www.nexyn.com
Jersey Microwave Limited. Интернет-ресурс
www.jerseymicrowave.com
Spectrum FSY Microwave. Интернет-ресурс
www.specwave.com
Lucix Corporation. Интернет-ресурс www.lucix.com
RADITEK. Интернет-ресурс www.raditek.com
KoSpace Co. Ltd. Интернет-ресурс www.kospace.com
Elcom Technologies Inc. Интернет-ресурс
https://fei-elcomtech.com/
Luff Research, Inc. Интернет-ресурс
www.luffresearch.com
Princeton Microwave Technology, Inc. Интернет-ресурс www.princetonmicrowave.com
Narda Microwave. Интернет-ресурс
www.nardamicrowave.com
Remec Magnum. Интернет-ресурс
http://micro.apitech.com/
Herley Industries Inc. Интернет-ресурс
http://www.kratosmed.com/
Milli Optics Inc. Интернет-ресурс https://www.microwavejournal.com/articles/print/814-new-products
Herley-СТI. Интернет-ресурс http://www.kratosmed.com/
CTI Industries. Интернет-ресурс www.ctiind.com
Microwave Communications Laboratories, Inc. (MCLI).
Интернет-ресурс www.mcli.com
Абраменков А. И., Геворкян В. М. Перестраиваемый фильтр на диэлектрическом резонаторе.
Авт. свид. № 1185439 (СССР) от 2.11.79. МКИ Н01Р 1/20. БИ № 38, 15.10. 85.
Мальцев В. А., Мякиньков В. Ю., Рудый Ю. Б.,
Горюнов И. В., Гусев А. П., Лебедев В. Н.,
Тыртышников А. В., Чугуй А. П. Твердотельные СВЧ генераторы малой мощности (к 60-летию ФГУП «НПП «ИСТОК»). – Интернет-ресурс
http://nauchebe.net/2012/04/tverdotelnye-svch-generatory-maloj-moshhnosti-k‑60-letiyu-fgup-npp-istok
Отзывы читателей
