Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом
Advances in the development of ultrahigh-frequency semiconductor electronics open wide opportunities for developing optimal schemes and designs of microwave power sources in the millimeter wavelength range providing high stability of the frequency and electromagnetic oscillation phase. Synchronized...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.10 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1869653454125793280 |
|---|---|
| author | Karushkin, Mykola |
| author_facet | Karushkin, Mykola |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Mykola Karushkin",
"institution": "Research institute «Orion», Kyiv, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Karushkin, Mykola |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-02T12:37:27Z |
| description | Advances in the development of ultrahigh-frequency semiconductor electronics open wide opportunities for developing optimal schemes and designs of microwave power sources in the millimeter wavelength range providing high stability of the frequency and electromagnetic oscillation phase. Synchronized diode generators used in transmit/receive module for active phased array antennas, coherent low-power radar stations, etc. show great promise. The mode of external synchronization of semiconductor generators allows effectively implementing the task of creating output stages of the transmitters with high gain factor, low frequency noise and an output power level corresponding to the maximum power mode.This article presents the first of two parts of the study, which summarizes the results achieved so far in the development of synchronized oscillators based on impact ionization avalanche transit-time (IMPATT) diodes. The first part presents the electrodynamic designs of the oscillators, which are synchronized with an external source of microwave oscillations and contain a resonant oscillating system with a silicon IMPATT diode. The silicon two-drift IMPATT diode was chosen as an active element due to the fact that its use allows reaching significant levels of pulsed microwave power – an order of magnitude higher than those of the most well-known HEMT and pHEMT transistors in the millimeter wavelength range. It is shown that to reduce losses, the oscillating system should be made in the form of a radial resonator with a diode casing, which has distributed parameters. This eliminates the use of additional reactive inhomogeneities in the initial cross-section of the waveguide section of the generator. Due to the low quality factor of the resonant casing of the diode, the generalized quality factor of the microwave circuit takes the minimum value required to implement a stable generator synchronization process in the millimeter wavelength range. The second part of the work will be devoted to synchronized pulse generators with an output power of 20–150 W. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2021.1-2.10 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:22Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–210 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
1
УДК 621.314.26:621.382.64
К. т. н. Н. Ф. КАРУШКИН
Украина, г. Киев, НИИ «Орион»
E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua
СИНХРОНИЗАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НА ЛПД
ИМПУЛЬСНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
В ММ-ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
Часть 1. Конструкции генераторов и обобщенная модель
их синхронизации внешним сигналом
Успехи развития полупроводниковой электроники
сверхвысоких частот открывают широкие возможно-
сти для разработки оптимальных схем и конструкций
источников СВЧ-мощности миллиметрового диапа-
зона длин волн, обеспечивающих высокую стабиль-
ность частоты и фазы электромагнитных колебаний
[1]. Большие перспективы связаны с использовани-
ем синхронизированных диодных генераторов, ко-
торые находят применение в приемо-передающих
модулях активных фазированных антенных реше-
ток, когерентных радиолокационных станциях ма-
лой мощности и т. п.
Задача создания выходных каскадов передатчиков
с высоким коэффициентом усиления, низким уров-
нем частотного шума и уровнем выходной мощно-
сти, соответствующим максимальному энергетиче-
скому режиму, эффективно реализуется с применени-
ем режима внешней синхронизации полупроводни-
ковых генераторов. Уровень частотного шума и ста-
бильность частоты выходного сигнала таких генера-
торов соответствуют параметрам синхронизирующе-
го сигнала, что позволяет создавать высокостабиль-
ные источники мощности с минимальными фазовы-
ми шумами в миллиметровом диапазоне длин волн,
в том числе и в коротковолновой его части, где по-
строение высокодобротных резонаторов весьма за-
труднено. Режим синхронизации во многих случаях
более предпочтителен, чем режим пассивного уси-
ления, при котором максимальная выходная мощ-
ность достигается при малом усилении (обычно не
более 5—6 дБ).
Приведена первая часть работы, которая состоит из двух статей, где обобщены результаты, достигнутые
на данный момент при разработке синхронизированных генераторов на лавинно-пролетных диодах. В данной
статье представлены электродинамические конструкции генераторов, синхронизируемых внешним источни-
ком СВЧ-колебаний, содержащие резонансную колебательную систему с кремниевым лавинно-пролетным дио-
дом. Для уменьшения потерь колебательную систему необходимо выполнять в виде радиального резонатора с
использованием диодного корпуса, имеющего распределенные параметры.
Ключевые слова: миллиметровый диапазон, лавинно-пролетный диод, генератор, синхронизация.
В настоящей работе, состоящей из двух частей,
обобщены результаты, достигнутые на данный мо-
мент при разработке синхронизированных генерато-
ров на лавинно-пролет ных диодах.
Часть 1 посвящена рассмотрению электродина-
мических конструкций генераторов, синхронизиру-
емых внешним источником СВЧ-колебаний. С по-
мощью эквивалентных схем проведен анализ пара-
метров генераторов, содержащих резонансную ко-
лебательную систему, выполненную на кремниевой
полупроводниковой структуре с отрицательным со-
противлением. Определены требования к конструк-
ции генератора, при которых возможно реализовать
стабилизацию СВЧ-параметров и требуемую доброт-
ность, необходимые для устойчивого процесса син-
хронизации.
В части 2 будут рассмотрены синхронизирован-
ные генераторы импульсного действия с выходной
мощностью 20—150 Вт.
Постановка проблемы
Основой синхронизированного генератора являет-
ся колебательная система с полупроводниковым эле-
ментом, взаимодействие которых является нелиней-
ным. Генератор представляет собой объемный резо-
натор, в который помещен активный элемент. В мил-
лиметровом диапазоне размеры резонатора становят-
ся трудно выполнимы, а решить задачу обеспечения
малых контурных потерь практически невозможно.
Это приводит к тому, что в диапазоне настройки коле-
бательной системы колебания могут не возбудиться.
Проблема потерь в колебательной системе особенно
DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.10
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 11ISSN 2309-9992 (Online)
2
СВЧ-ТЕХНИКА
r0
h
2
r
1
3
45
диэлектрической втулки соизмеримы с длиной волны.
В этом случае предлагается рассматривать втулку как
радиальную линию, трансформирующую свой вход-
ной импеданс Zpл к клеммам включения полупровод-
никовой структуры. Величина и характер импеданса
определяются условиями распространения волн в ра-
диальных линиях с учетом геометрии и диэлектриче-
ской проницаемости втулки корпуса [3]. Полное со-
противление трансформатора с импедансом Rп долж-
но быть минимальным и удовлетворять условию
Rп << rп
d, где rп
d = –rd + rs + rm — вещественная часть
импеданса полупроводниковой структуры с учетом
сопротивления потерь растекания структуры rs, оми-
ческого сопротивления элементов включения полу-
проводниковой структуры в СВЧ-цепь и сопротивле-
ния элементов корпуса диода rm (рис. 2). Величина
отрицательного сопротивления ЛПД миллиметрово-
го диапазона rd составляет 2—3 Ом.
Входной импеданс радиальной линии определя-
ется выражением [4]
рл
120π ,
ε 2π
– Соtg ,h
r
Z r jx x y
(1)
где r, r0, h — внешний и внутренний диаметры и высота
втулки соответственно;
Соtg (x, y) — большой радиальный котангенс;
2π ε
Λ
;х r
0
2π ε
Λ
;y r
ε — диэлектрическая проницаемость;
Λ — длина волны.
В [5] приводятся расчетные зависимости величи-
ны входной проводимости радиальной линии в се-
чении r = r0 от ее внешнего диаметра. Изменяя диа-
метр диэлектрической втулки при заданной высоте
h, на клеммах полупроводниковой структуры можно
получить необходимую величину реактивной прово-
димости для реализации параллельного резонанса. Рис. 1. Конструкция корпусированного ЛПД
Рис. 2. Эквивалентная схема замещения корпусированно-
го ЛПД, в которой диэлектрическая втулка представляет-
ся радиальной линией (lрл)
Zрл
rs
xd
– rd
Lprma
a' lрл
Zd= rd+j xd
b
b'
важна для лавинно-пролетных диодов (ЛПД), имею-
щих низкий импеданс. Для того чтобы решить про-
блему, связанную с потерями, резонансную систему
выполняют на радиальных резонаторах, используя
конструкции диодных корпусов. В этом случае диэ-
лектрическая втулка корпуса представляется радиаль-
ной линией без потерь, которая трансформирует свой
входной импеданс к клеммам включения диодной
структуры. Величина и характер трансформируемого
импеданса определяется условиями распространения
волн в радиальных линиях с учетом ее размеров и ди-
электрической проницаемости. В этом случае основ-
ным частотно-избирательным узлом синхронизиро-
ванного генератора является диод. Запасенная энер-
гия такой СВЧ-системы сосредоточена в области ди-
ода, а обобщенная добротность системы оказывается
минимальной. В синхронизированных генераторах с
широкой рабочей полосой добротность такого диода
следует уменьшать, но необходимо соблюдать следу-
ющее условие: величина модуля отрицательного со-
противления ЛПД должна прево сходить суммарную
величину сопротивления потерь в СВЧ-цепи.
Конструкции генераторов
Для увеличения надежности радиоэлектронной
аппаратуры в СВЧ-диапазоне проводится корпусиро-
вание полупроводниковых структур. На рис. 1 пока-
зана конструкция корпусированного ЛПД: диодная
p+–p–n–n+-структура 1, смонтированная внутри руби-
новой втулки 2 на позолоченном медном штифте 3, со-
единена с крышкой 4 при помощи золотой плющены 5.
Использование широко применяемых в санти-
метровом диапазоне волн металлокерамических
диодных корпусов в коротковолновой части СВЧ-
диапазона становится проблематичным из-за боль-
ших значений емкости (СК) и индуктивности (LК)
корпуса, трудностями получения однородных тонких
стенок керамической втулки и необходимости соеди-
нения ее торцов с металлическими частями корпуса
методом пайки [2]. Все это не позволяет реализовать
требуемые значения сосредоточенных параметров
корпуса и минимизировать величину омических по-
терь корпуса rm (рис. 2). Кроме того, в коротковол-
новой части СВЧ-диапазона геометрические размеры
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–212 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
3
Основным частотно-избирательным узлом СВЧ-
цепи генератора на ЛПД является корпусированный
диод с резонансной трансформацией импеданса к по-
лупроводниковой структуре. Запасенная энергия в та-
кой СВЧ-системе сосредоточена в основном в обла-
сти корпусированного диода, а обобщенная доброт-
ность системы оказывается минимальной.
В широкодиапазонных СВЧ-устройствах (гене-
раторах с перестройкой, синхронизированных гене-
раторах, сумматорах мощностей) добротность кор-
пусированного резонансного диода следует умень-
шать, но при этом необходимо соблюдать условие:
модуль отрицательного сопротивления должен пре-
восходить суммарную величину сопротивления по-
терь в СВЧ-цепи.
Корпусированные ЛПД в диапазоне частот 30—
180 ГГц могут быть созданы при применении в кор-
пусах диэлектрических втулок на основе промыш-
ленных часовых рубиновых камней, металлизиро-
ванных по торцам (см. таблицу) [6].
Габариты диэлектрических втулок в зависимости
от частотного диапазона
Частотный
диапазон,
ГГц
Внешний
диаметр,
мм
Внутренний
диаметр,
мм
Высота,
мм
30—40 1,2 0,75 0,35
50—60 0,9; 0,8 0,5 0,3
70—120 0,5 0,2 0,15
120—180 0,4 0,2 0,15
В области частот более 180 ГГц применяются
также принципы резонансной трансформации им-
педанса ЛПД, однако конструктивное выполнение
корпусов требует специального решения, обеспечи-
вающего достижение резонансных частот в указан-
ном диапазоне [7].
Торцы рубиновых втулок металлизируются ваку-
умным напылением слоев хрома (0,1 мкм) и золота
(1,0 мкм). Втулки монтируются на основание тепло-
отвода методом термокомпрессионной сварки.
На рис. 3 показаны принципы включения корпу-
сированных резонансных ЛПД в СВЧ-конструкции,
выполненные на разных типах линий передачи.
Исследования показали, что корпусированный лавин-
но-пролетный диод может рассматриваться как са-
мостоятельный полупроводниковый прибор с соот-
ветствующими амплитудно-частотными зависимо-
стями импеданса и энергетических характеристик.
Изменение его параметров в широких пределах воз-
можно путем изменения диаметра диэлектрической
втулки и крышки корпуса. Перемещение корпусиро-
ванного диода совместно с его теплоотводящим осно-
ванием вдоль оси диода и перпендикулярно к направ-
лению распространения волны в линии передачи по-
зволяет изменять основные параметры диода в про-
цессе настройки устройства, т.е. производить одно-
временно настройку диода и всего устройства в це-
лом. Такая комплексная настройка выполнима в элек-
тродинамических конструкциях с различными лини-
ями передачи.
Высокочастотные источники мощности (рис. 3),
работающие в моногармоническом режиме на основ-
ной частоте, обычно характеризуются низкой доброт-
ностью, поскольку не содержат специальных ста-
билизирующих устройств, в частности стабилизи-
Рис. 3. Схема включения ЛПД в различные линии передачи:
а — волноводно-коаксиальная; б — волноводная; в — ди-
электрический волновод; г — микрополосковая линия;
д — несимметричная щелевая линия с перекрытием в вол-
новоде
1 — ЛПД; 2 — поглощающая нагрузка; 3 — микроволно-
вый фильтр питания; 4 — экран с выводами питания; 5 — те-
плоотвод
а) 2
1
б)
2
11
в) 4 1
г) 3 11
д) 5 1
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 13ISSN 2309-9992 (Online)
4
СВЧ-ТЕХНИКА
Рис. 4. Конструкция генератора, выполненного на приме-
нении волноводно-коаксиального сочленения
5
1
l d
Δ
l H
Рис. 5. Эквивалентная схема замещения высокочастот-
ной цепи синхронизированного генератора на основе
волноводно-коаксиального сочленения
PC
X2
l n
l H
X4
X4
X1
X3
X2
l d
ZH
Zdk
рую щих резонаторов. В связи с этим стабилизаци-
онные и спектральные характеристики этих источ-
ников низкие, и они, как правило, не находят при-
менения в качестве задающих генераторов, генера-
торов приемных устройств и т. д. В то же время низ-
кая добротность является важным фактором при соз-
дании широкодиапазонных генераторов в режиме
внешней синхронизации. Рассмотренные принципы
корпусирования полупроводниковых диодов позво-
ляют создавать и оптимизировать высокочастотную
цепь генератора для достижения наилучших энерге-
тических, диапазонных и спектральных характери-
стик. При этом необходимо создать соответствую-
щую электродинамическую конструкцию и спосо-
бы установки в ней корпусированного диода, обе-
спечивающих максимальный диапазон перестройки
частоты при изменении мощности задающего гене-
ратора синхронизации.
Рассмотрим наиболее распространенную кон-
струкцию генератора, основанную на применении
волноводно-коаксиального сочленения (рис. 4).
Коаксиальная линия с волновым сопротивлением WК
может быть смещена относительно центра волново-
да с волновым сопротивлением WД на величину ∆.
В коаксиальной линии установлен корпусированный
диод 1, смонтированный на теплоотводящем основа-
нии, и антипаразитная нагрузка 2. Выход генератора
соединен при помощи циркулятора с нагрузкой и с
источником синхронизирующего сигнала.
Полная эквивалентная схема рассматриваемой
конструкции генератора приведена на рис. 5. Ее па-
раметры определены в результате эксперименталь-
ных и теоретических исследований крестообразных
волноводно-коаксиальных конструкций [8].
Двухполюсники Х1, Х4 включены в сечение ко-
аксиальной линии Sк, которая совпадает со сред-
ней плоскостью волноводной секции, параллель-
ной широкой стенке волновода и проходящей через
его центр. Реактивные двухполюсники Х2, Х3, а так-
же вторичная обмотка трансформатора подключены
к точкам, которые расположены на оси, перпендику-
лярной широкой стенке волновода и проходящей че-
рез ее центр. Особенностью рассматриваемой кон-
струкции является возможность изменения коэффи-
циента трансформации n при изменении смещения ∆
оси коаксиальной линии и положения диода в коак-
сиальной линии. Зависимость коэффициента транс-
формации n = f(∆) в 8-мм диапазоне длин волн при-
ведена на рис. 6.
Изменение коэффициента трансформации n в ши-
роких пределах позволяет обеспечить требуемое со-
гласование импеданса диода и нагрузки без приме-
нения дополнительных реактивных неоднородностей
в выходном сечении волноводной секции генерато-
ра. Частотно избирательным узлом СВЧ-цепи гене-
ратора является корпусированный диод с резонанс-
ной трансформацией импеданса к полупроводнико-
вой структуре. В связи с низкой добротностью ре-
зонансного контура диода обобщенная добротность
СВЧ-цепи генератора принимает значение, уменьша-
ющееся при увеличении эквивалентной проводимо-
сти нагрузки: GН = G0/n2.
Рис. 6. Зависимость коэффициента трансформации n от
смещения оси коаксиала ∆ относительно центра волново-
да при высоте волновода b и ширине a = 7,2 мм
n
6
5
4
3
2
1
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 2,0 [0,5a – Δ], мм
b = 3,4 мм
b = 1,4 мм
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–214 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
5
Полупроводниковые диодные генераторы в ре-
жиме внешней синхронизации могут рассматривать-
ся как синхронные усилители отражательного типа.
Их отличие от стабильных усилителей отражатель-
ного типа состоит в том, что при выключении вход-
ного сигнала (РС = 0) мощность выходного сигнала
равна автоколебательной мощности Р0. В стабиль-
ном усилителе Рвых = 0 при РС = 0. Область приме-
нения стабильных усилителей — каскады передаю-
щих и приемных устройств, в которых время прихода
усиливаемых сигналов не определено. Достижимый
минимальный уровень шума диодных усилителей
больше, чем у транзисторных усилителей, поэто-
му в чувствительных приемных устройствах приме-
няются малошумящие усилители на транзисторах.
При использовании в качестве высокочастотной цепи
волноводно-коаксиальной системы (рис. 4) переход
из режима синхронного усиления в режим стабиль-
ного усиления достигается увеличением коэффици-
ента трансформации n за счет смещения оси коакси-
альной линии от оси волновода при неизменных па-
раметрах диода.
Представляет интерес сопоставление характери-
стик стабильного и синхронного усилителей. Как
видно из рис. 7, их диапазонные характеристики
практически одинаковы, но синхронные усилители
обеспечивают значительный выигрыш в уровне вы-
ходной мощности при прочих равных параметрах,
что особенно существенно в режиме усиления ма-
лого сигнала. В связи с этим синхронные усилите-
ли выгодно применять при создании передающих
устройств с высоким уровнем выходной мощности
и значительным усилением.
В известных конструкциях генераторов и усили-
телей СВЧ-мощности на ЛПД используются полу-
проводниковые структуры сосредоточенного типа.
Для таких структур имеются ограничения по уров-
ню выходной СВЧ-мощности, поскольку из-за не-
обходимости соблюдения определенного теплово-
го режима приходится работать при плотности тока
ниже оптимальной величины. В этом случае повы-
шение подводимой мощности может быть достигну-
то при уменьшении теплового сопротивления диода
RТ [9]. Одним из известных способов его уменьше-
ния является переход к полупроводниковой струк-
туре с развитой периферией, поскольку при этом
увеличивается теплопередача в боковых направле-
ниях. Полупроводниковые структуры распределен-
ного типа могут быть выполнены протяженными в
виде прямоугольника или тонкого кольца с достаточ-
но большим диаметром.
В [10] экспериментально показана эффектив-
ность использования кольцевых структур ЛПД боль-
шого диаметра для создания синхронизированных
усилителей импульсного действия с целью повы-
шения уровня средней СВЧ-мощности. Анализ ука-
зывает на целесообразность использования актив-
ных полупроводниковых структур с распределен-
ными параметрами для создания усилителей бегу-
щей волны в коротковолновой части миллиметро-
вого диапазона длин волн. Одним из путей их соз-
дания является использование протяженного ла-
винного p–n-перехода в полупроводниковой струк-
туре. Усилитель представляет собой протяженный
р–n-переход, обладающий отрицательным сопро-
тивлением на основе лавинно-пролетного механиз-
ма, смещенного источником тока в область отрица-
тельного сопротивления (рис. 3, д). В силу особен-
ностей лавинного перехода можно предположить,
что по мощности и рабочей полосе такой усилитель
будет превосходить усилители на диодах с сосредо-
точенными параметрами.
При осуществлении внешней синхронизации ге-
нераторы, как правило, соединяются с источником
синхросигнала и нагрузкой через невзаимный эле-
мент (циркулятор). На основе обобщенной модели
синхронизированного генератора с использованием
известного в литературе метода медленно меняющих-
ся амплитуд, который основывается на знании импе-
дансных характеристик ЛПД, проведен качественный
анализ основных особенностей режимов синхрони-
зированных генераторов на ЛПД.
Обобщенная модель синхронизированного
генератора на ЛПД
Из теории колебаний известно, что при воздей-
ствии на автоколебательную систему внешней перио-
дической силы с частотой, близкой к частоте систе-
мы при определенных энергетических соотношени-
ях, происходит захватывание или синхронизация ав-
токолебаний вынужденными колебаниями [11]. При
этом представляет интерес возможность синхрони-
зации системы не только сигналом, близким по ча-
стоте к свободным автоколебаниям генератора, но и
Рис. 7. Зависимость выходной мощности Рвых от уров-
ня входной мощности Рвх синхронного (1) и стабильно-
го (2) усилителей
Рвых, Вт
2,4
2,0
1,6
1,2
0,8
0,4
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Рвх, Вт
Δf/f0
5
4
3
2
1
0
2
1
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 15ISSN 2309-9992 (Online)
6
СВЧ-ТЕХНИКА
сигналом с существенно более низкой или более вы-
сокой частотой.
Полосой синхронизации называют разность меж-
ду частотами захваченных колебаний, на которых
происходит срыв режима синхронизации:
( )CBС CHΔ ,mf f f
n
-= (2)
где m, n — натуральные числа, не имеющие общего мно-
жителя;
ƒСB, ƒCH — соответственно, верхняя и нижняя частоты
внешнего воздействия, на которых наблюда-
ется срыв синхронизации.
Режим, когда m = n = 1, называется гармониче-
ским захватыванием; при m = 2, 3, …, n = 1 — уль-
трагармоническим, или умножением частоты; при
n = 2, 3…, m = 1 — субгармоническим захватывани-
ем, или делением частоты.
Количественной мерой эффективного захваты-
вания частоты генератора ƒГ в одночастотном при-
ближении (m = n = 1) служит коэффициент синхро-
низации
C CΓ
C УΡ
Γ C Γ
Δ Δ
,
f fPK K
f P f
(3)
где РГ — мощность, генерируемая активным элементом в
автономном режиме;
РС — мощность синхронизирующих колебаний;
КУР — коэффициент усиления синхронизированного
генератора при малой величине РС.
Относительная полоса синхронизации генерато-
ров СВЧ записывается в виде:
C C
Γ Η Γ
Δ
,
f PK
f Q P
(4)
где QН — нагруженная добротность генератора;
K — коэффициент, зависящий от параметров рабо-
ты активного элемента и резонансной системы
генератора.
Очевидно, что простейшим способом повыше-
ния эффективности процесса захватывания часто-
ты генератора является снижение QН. Хотя реализа-
ция этого способа сама по себе не вызывает трудно-
стей, его исполнение может принципиально ограни-
чиваться как требованиями к добротности резонато-
ра, связанными с необходимостью обеспечения того
или иного режима работы активного элемента, так и
требованиями к его нагрузке, оптимальной с энерге-
тической точки зрения.
Генератор, синхронизированный сигналом с угло-
вой частотой или манипуляцией, можно рассматри-
вать как синхронизированный усилитель. Такие уси-
лители на полупроводниковых диодах используются
в многоканальных системах связи с частотным разде-
лением каналов, в системах управления ракет и си-
стемах опознавания воздушных и наземных объектов.
Серьезным достоинством усилителей такого класса
является и возможность более полного использования
энергетического потенциала активных элементов, и
ряд других преимуществ, таких как слабая зависи-
мость мощности выходного сигнала от уровня вход-
ного сигнала, простота схемы и конструкции вслед-
ствие отсутствия необходимости обеспечения устой-
чивости к самовозбуждению, меньшая чувствитель-
ность к изменению температуры и питающих напря-
жений. Усилители позволяют использовать активные
диодные структуры с распределенными параметрами.
Если сравнивать синхронизированные генерато-
ры на различных активных элементах, то устройства
на лавинно-пролетных диодах обладают большим
уровнем выходной СВЧ-мощности и высоким уров-
нем шума. Известно, что синхронизация генератора
высокостабильным сигналом позволяет снизить уро-
вень его частотных шумов. Степень подавления ча-
стотных шумов генератора синхронизирующим вы-
сокостабильным сигналом можно приблизительно
оценить соотношением [12]
2 2
2 2 2
0 C
ε 4 ,
ε Δ 4Δ 4
F F
F f f F
(5)
где 2ε F , 2
0ε F — соответственно, среднеквадратичное
значение девиации частоты автономного генера-
тора и сигнала на выходе синхронизированного
генератора;
F — величина отстройки частоты от несущей;
ΔƒС — полоса синхронизации;
Δƒ — расстройка частоты сигнала синхронизации гене-
ратора.
Синхронизированные диодные генераторы харак-
теризуются рядом особенностей:
— нагруженная добротность СВЧ-системы неве-
лика, а число степеней свободы более одной;
— как автоколебания, так и внешнее воздействие
могут существенно отличаться от гармонических;
— система может содержать пассивные и актив-
ные элементы с сосредоточенными и распределен-
ными параметрами;
— активные элементы с учетом параметров кор-
пуса имеют сложную схему замещения, а их харак-
теристики не поддаются более простой аппрокси-
мации;
— уровень внешнего воздействия не является ма-
лым по сравнению с автоколебаниями генератора.
Для анализа и проектирования синхронизирован-
ных генераторов, как и других пассивных и актив-
ных устройств СВЧ, широко применяется метод эк-
вивалентных схем, в рамках которого реальная ко-
лебательная система с распределенными параме-
трами может быть представлена в виде соединения
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–216 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
7
Рис. 8. Эквивалентная схема генератора на ЛПД
ZA rS LK CК
R0 ФЦ
RН
CkLkrs
Zd
iС(t)
id(t)
2
1
n:1
3
iН(t)
еШ(t)
еС(t)
Рис. 9. Эквивалентная схема синхронизированного генера-
тора на ЛПД (ФЦ — ферритовый циркулятор)
простых элементов (отрезков линий передачи, диа-
фрагм, штырей и т.д.) с хорошо известными частот-
ными характеристиками. Такое представление допу-
стимо и при рассмотрении синхронизированных ге-
нераторов на дискретных элементах с сосредоточен-
ными параметрами, которые являются сравнительно
узкополосными по частоте.
Для упрощения расчета характеристик генерато-
ра на ЛПД (ГЛПД) его можно представить в виде од-
ноконтурной одночастотной модели. Эквивалентная
схема ГЛПД (рис. 8) состоит из последовательно сое-
диненных комплексного сопротивления области про-
странственного заряда ZА, суммарного сопротивле-
ния потерь в базе диода и контура rS, индуктивно-
сти LК и емкости СК колебательного контура. В схе-
му также входит источник шума с ЭДС eш(t) и сопро-
тивление нагрузки RН, равное волновому сопротив-
лению волновода, приведенному к зажимам включе-
ния структуры диода.
Величина сопротивления нагрузки определяет-
ся выражением
RН = RA0(Iп) – rS, (6)
где RA0 — малосигнальное сопротивление диода при
рабочем токе, равном пусковому току Iп для выбран-
ной связи ГЛПД с нагрузкой.
Эквивалентные индуктивность LК и емкость СК
контура генератора определяются по измеренной
внешней добротности ГЛПД QВН:
ΒΗ
К
H ;
ω
QL R
К
К К Α
1 ,
ω ω ΧL
C
(7)
где ХА — реактивная составляющая комплексного
сопротивления диода на частоте ω.
Для расчета характеристик синхронизированно-
го ГЛПД (СГЛПД) необходимо знать комплексное
сопротивление диода Zd, параметры колебательного
контура LК, CК и характер источника шумовой ЭДС.
Эти величины, как показано в [13, 14], могут быть
найдены из результатов измерений параметров ЛПД
и ГЛПД, емкости p–n-перехода C при пробивном на-
пряжении Uпр, дифференциального сопротивления
Rдиф, рабочего тока I0, внешней добротности, соот-
ветствующей пусковому току IП.
Эквивалентная схема СГЛПД [14, 15] изображе-
на на рис. 9. На ней ГЛПД представлен в виде по-
следовательного контура, состоящего из комплекс-
ного сопротивления диода Zd = Rd + jxd, сопротивле-
ния потерь диода и колебательного контура rs, экви-
валентной индуктивности LК и емкости CК колеба-
тельного контура, эквивалентного источника шума с
ЭДС eШ(t) и трансформатора с коэффициентом транс-
формации n:1. Синхросигнал от источника с ЭДС
eС(t) = ЕС·Соsωt и внутренним сопротивлением RС,
равным волновому сопротивлению волновода R0, по-
ступает через ферритовый циркулятор на ЛПД.
Полезная нагрузка RН подключена к третьему пле-
чу циркулятора. Токи, текущие через диод, нагрузку
и источник синхросигнала, записываются, соответ-
ственно, в виде
id(t) = Id·Соs(ωt + φd);
iН(t) = IН·Соs(ωt + φН);
ic(t) = IС·Соsωt.
Основные характеристики СГЛПД, такие как отда-
ваемая в нагрузку мощность Pвых, разность фаз меж-
ду синхронизированным и синхронизирующим сиг-
налами, т. е. фаза коэффициента отражения от син-
хронизированного генератора φ, спектральная плот-
ность мощности амплитудных SА и частотных Sƒ шу-
мов могут быть выражены через амплитуду и фазу
тока в нагрузке IН(t) [16]:
Pвых = 0,5IН
2RН; (8)
SА(F) = δIН / IН
2Δf; (9)
Sƒ(F) = F2 δφН
2 / Δf; (10)
φ = φН;
где δIН
2, δφН
2 — средние квадраты флуктуаций ам-
плитуды IН и фазы φН тока IН(t) в полосе пропуска-
RН
eC(t)
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 17ISSN 2309-9992 (Online)
8
СВЧ-ТЕХНИКА
Рис. 10. Преобразованная эквивалентная схема СГЛПД
ZA rS LK
RН
CК
eш(t)
eC'(t)IA(t)
ния измерительного прибора Δf при отстройке от не-
сущей F.
Для нахождения зависимости мощности Pвых,
фазы φ, шумов SА и Sƒ от частоты и амплитуды тока
внешнего источника eС(t) необходимо установить
связь между токами IС(t), Id (t), IН(t) и их флуктуа-
циями.
При малых потерях циркулятора выполняется ра-
венство IН(t) = Id (t) + IС(t).
В случае гармонического внешнего сигнала ам-
плитуда и фаза тока в нагрузке и их флуктуации име-
ют следующий вид:
2 2
H С С2
1 2 Cosφ ,d d dI I I I I
nn
(11)
C
H
Sinφ
φ arctg ;
Cosφ
d d
d d
I
I nI
(12)
H
δ CosΦ δφ SinΦ ;d d dI I
n
dI
(13)
H
Η
δ SinΦ δφ CosΦ
φ ,d d dI I
n
d
I
(14)
где IС = EС /(2R0);
Ф = φН – φd.
Расчет амплитуды IА и фазы φА тока IА(t) и их
флуктуации dIА и dφА удобней проводить на осно-
ве эквивалентной схемы, показанной на рис. 10, в
которой e'С = Е'C·Cosωt =(ЕC/n)·Cosωt и R'Н = R0/n2.
Уравнение, описывающее колебания в контуре ге-
нератора (рис. 10), можно представить, как и в [17]:
A~
А
0 A
/
C A A ш ш
A
Η
(1 tg 1 tgθ
ξ tgθ φ
1 exp 1 φ δφ ,
θ( )
2ξ tgθ
2
( )
S
А
S
d I j І
d j
Е e
d j I
I
d
d d j
df
je
U
(15)
где d˜ = f(Ia);
A A
A A
А
( ) ;
(
tgθ
)
X I
R I
І
d = dН + ds;
H
H
K
;
ω
Rd
L
K
;
ω
S
Sd
r
L
Γ
Γ
ω ωξ ;
ω
Γ 0 01 0,5 tω ;ω gθ
U = ωLKIA;
θ0 — угол запаздывания в автономном генераторе;
ω0 — резонансная частота контура;
eшс, eшs — синфазная и квадратурная составляющие ЭДС
шума соответственно.
При получении выражения (15) были использо-
ваны следующие допущения:
— амплитуда IА и фаза φА, а также флуктуации
амплитуды δIА и фазы δφА являются медленно ме-
няющимися функциями;
— активная составляющая сопротивления обла-
сти пространственного заряда диода Z не зависит от
частоты;
— шумы в генераторе создаются только шумами
лавины в ЛПД и описываются эквивалентным источ-
ником ЭДС eШ(t);
— вклад низкочастотного шума в высокочастот-
ный контур не учитывается.
Из анализа приведенных в [16, 17] соотношений
следует ряд особенностей, характерных для СГЛПД:
1) наличие неизохронности (θ ≠ 0) приведет к
асимметрии полосы синхронизации, а следовательно,
и всех характеристик СГЛПД, в том числе и шумовых,
относительно нулевой расстройки Γ
Γ
ε 0;
2) экстремальный характер зависимости Pвых(IА)
объясняет неоднозначность изменения амплитуды и
мощности в полосе синхронизации. Мощность в на-
грузке увеличивается с ростом амплитуды колеба-
ний в контуре СГЛПД, если IА < IА опт, и падает, если
IА > IА опт (IА опт — амплитуда тока автономного, опти-
мизированного по нагрузке ГЛПД);
3) если IА = IА опт, d ~= d, φА= π/2, tgθ = tgθ0, то зна-
чение расстройки ε, сдвига фаз φ и мощности Pвых
записываются как
Γ0
ε ;0,5 Н
CP
P
d (16)
φ = dН/ε, (17)
Pвых = PГ0 + РС, (18)
где PГ0 — мощность автономного генератора.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–218 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
9
Соотношения для ε, φ не зависят от вида нелиней-
ных характеристик генератора d~(IА) и угла запазды-
вания СГЛПД θ(IА), благодаря чему для эксперимен-
тального определения величины dН генератора с за-
паздыванием при любых значениях n и РС/PГ0 удоб-
но использовать именно эти условия (16, 17);
4) максимальная амплитуда синхронизирован-
ных колебаний, нулевой сдвиг фазы φ и максимум
по мощности достигаются при следующем условии:
εmax = 0,5(d tgθ0 + d~ tgθ), (19)
где θ0, θ — угол запаздывания в автономном генера-
торе и в СГЛПД соответственно.
Сопоставление результатов расчета и экспери-
мента для СГЛПД показало, что описанная методика
дает в основном правильное количественное описа-
ние их характеристик при синхронизации. Такая ме-
тодика расчета характеристик СГЛПД может приме-
няться лишь при реализации в заданном генераторе
одночастотного режима. Нарушение этого условия
приводит к значительному расхождению в результа-
тах расчета и эксперимента.
Выводы
Представленный анализ электродинамических
конструкций и основных особенностей режимов
синхронизированных генераторов на кремниевых
лавинно-пролетных диодах позволяет определить
взаимное соответствие схемы и параметры кон-
струкций устройств в составе задающего источника
СВЧ-мощности, синхронизированного генератора и
нагрузки. Основным частотно избирательным узлом
волноводно-коаксиальной конструкции синхронизи-
рованного генератора является специальный корпу-
сированный диод, образующий колебательную си-
стему с минимальным запасом энергии. При этом
исключается применение дополнительных реактив-
ных неоднородностей в выходном сечении волно-
водной секции генератора. В связи с низкой доброт-
ностью резонансного корпуса диода обобщенная до-
бротность СВЧ-цепи принимает минимальное значе-
ние, необходимое для реализации устойчивого про-
цесса синхронизации генераторов в диапазоне мил-
лиметровых волн.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Карушкин Н.Ф., Касаткин Л.В., Коростылев В.С. и др.
Влияние когерентных свойств излучения твердотельных генера-
торов СВЧ на характеристики технологических допплеровских
РЛС. Твердотельные генераторы и преобразователи миллиметро-
вого и субмиллиметрового диапазона. Сб. Научных трудов ИРЭ
АН УССР, 1989, c. 108–119.
2. Давыдова Н.С., Данюшевский Ю.З. Диодные генераторы
и усилители СВЧ. Москва, Радио и связь, 1986, 184 с.
3. Теория линий передачи сверхвысоких частот. Перевод
с англ. под ред. А.И. Шпунтова. Часть II. Москва, Сов. Радио,
1951, 280 с.
4. Справочник по волноводам. Перевод с англ. под редакцией
Я.Н. Фельда. Москва, Сов. Радио 1952.
5. Дворниченко В.П., Карушкин Н.Ф., Малышко В.В.,
Ореховский В.А. Полупроводниковый генератор импульсного
действия с электронным переключением частоты Ка-диапазона.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2015,
№ 4, c. 3–7.
6. Карушкин Н.Ф., Обухов И.А., Смирнова Е.А. Применение
промышленного часового камня в качестве корпуса полупроводни-
кового устройства миллиметрового диапазона длин волн. Патент
России № 2657324С2, 2016.
7. Карушкин Н.Ф. Твердотельные компоненты и устрой-
ства электронной техники терагерцового диапазона в Украине.
Радиофизика и электроника, 2018, т. 23, № 3, c. 40–64.
8. Gorbachev О., Kasatkin L. Complex coaxial-waveguide
transitions at millimeter-waves. Microwave Journal, 2001, vol. 44,
р. 90—100.
9. Басанец В.В., Болтовец Н.С., Зоренко А.В. Мощные крем-
ниевые импульсные лавинно-пролетные диоды 8-миллиметрового
диапазона. Техника и приборы СВЧ, 2009, № 1, с. 27–30.
10. Карушкин Н.Ф. Использование кольцевых структур
ЛПД для увеличения средней импульсной мощности генерато-
ров миллиметрового диапазона. Электронная техника. Серия 1.
Электроника СВЧ, 2010, вып. 4 (507), c. 46–54.
11. Минакова И.И. Неавтономные режимы автоколебатель-
ных систем. Москва, Изд-во. МГУ, 1987, 168 c.
12. Endersz G. Stability and linearity of frequency modulated
and injection locked oscillators for communication system. Ericsson
Techniques, 1976, vol. 32, no. 4, p. 249–311.
13. Goedbloed I.I., Vluardingerbrock M.T. Theory of noise and
transfer properties of IMPATT diode amplifiers. IEEE Trans., 1977,
vol. MTT-25, no. 4, p. 324–332.
14. Гершензон Е.М., Левитес А.А., Плохова Л.А. и др.
Внешняя синхронизация генераторов на лавинно-пролетных дио-
дах. Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29. № 11, с. 2179–2183.
15. Андреев В.С. К теории синхронизации автогенераторов
на приборах с отрицательным сопротивлением. Радиотехника.
1975. № 2, c. 43–53.
16. Фомин Н.Н., Андреев В.С., Воробейчиков Э.С. и др.
Радиотехнические устройства СВЧ на синхронизированных ге-
нераторах. Москва, Радио и связь, 1991, 192 с.
17. Thaler H.J., Ulrich G., Weldmenn G. Noise in IMPATT diode
amplifiers and oscillators. IEEE Trans., 1971, vol. MTT-19, no. 8,
p. 692–697.
Дата поступления рукописи
в редакцию 01.12 2020 г.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2 19ISSN 2309-9992 (Online)
10
СВЧ-ТЕХНИКА
М. Ф. КАРУШКІН
Україна, м. Київ, Науково-дослідний інстітут «Оріон»
E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua
СИНХРОНІЗАЦІЯ ГЕНЕРАТОРІВ НА ЛПД ІМПУЛЬСНОЇ ТА БЕЗПЕРЕРВНОЇ ДІЇ
У ММ-ДІАПАЗОНІ ДОВЖИНИ ХВИЛЬ.
Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації
зовнішнім сигналом
Успіхи розвитку напівпровідникової електроніки надвисоких частот відкривають широкі можливості для розробки
оптимальних схем і конструкцій джерел НВЧ-потужності міліметрового діапазону довжини хвиль, що забезпечу-
ють високу стабільність частоти та фази електромагнітних коливань. Великі перспективи пов'язані з використан-
ням синхронізованих діодних генераторів, які знаходять застосування в приймально-передавальних модулях активних
фазованих антенних решіток, когерентних радіолокаційних станціях малої потужності тощо. Завдання створен-
ня вихідних каскадів передавачів з високим коефіцієнтом посилення, низьким рівнем частотного шуму та рівнем ви-
хідної потужності, відповідним до максимального енергетичного режиму, ефективно реалізується із застосуванням
режиму зовнішньої синхронізації напівпровідникових генераторів.
У цій статті наведено першу з двох частин роботи, де узагальнено результати, досягнуті на цей час при розроб-
ці синхронізованих генераторів на лавинно-пролітних діодах. У першій частині представлено електродинамічні кон-
струкції генераторів, що синхронізуються зовнішнім джерелом НВЧ-коливань, які містять резонансну коливальну
систему з кремнієвим лавинно-пролітним діодом (ЛПД). Вибір кремнієвого дводрейфового ЛПД як активного елемен-
ту визначається тим, що при його використанні реалізуються значні рівні імпульсної НВЧ-потужності — на поря-
док вищі, ніж у найбільш відомих транзисторів HEMT і pHEMT у діапазоні міліметрових довжин хвиль. Показано, що
для зменшення втрат коливальну систему слід виконувати у вигляді радіального резонатора з використанням діод-
ного корпусу, що має розподілені параметри. При цьому виключається застосування додаткових реактивних неодно-
рідностей у вихідному перерізі хвилеводної секції генератора. Через низьку добротність резонансного корпусу діода
узагальнена добротність НВЧ-ланцюга приймає мінімальне значення, необхідне для реалізації сталого процесу синх-
ронізації генераторів в діапазоні міліметрових хвиль.
Другу частину роботи буде присвячено синхронізованим генераторам імпульсної дії з вихідною потужністю
20–150 Вт.
Ключові слова: міліметровий діапазон, лавинно-пролітний діод, генератор, синхронізація.
N. F. KARUSHKIN
Ukraine, Kyiv, Research institute «Orion»
E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua
SYNCHRONIZATION OF PULSED AND CONTINUOUS-WAVE IMPATT
OSCILLATORS IN THE MILLIMETER WAVELENGTH RANGE
Part 1. Generator designs and a generalized model of their external signal synchronization
Advances in the development of ultrahigh-frequency semiconductor electronics open wide opportunities for developing
optimal schemes and designs of microwave power sources in the millimeter wavelength range providing high stability
of the frequency and electromagnetic oscillation phase. Synchronized diode generators used in transmit/receive module
for active phased array antennas, coherent low-power radar stations, etc. show great promise. The mode of external
synchronization of semiconductor generators allows effectively implementing the task of creating output stages of the
transmitters with high gain factor, low frequency noise and an output power level corresponding to the maximum power
mode.
This article presents the first of two parts of the study, which summarizes the results achieved so far in the development
of synchronized oscillators based on impact ionization avalanche transit-time (IMPATT) diodes. The first part presents
the electrodynamic designs of the oscillators, which are synchronized with an external source of microwave oscillations
and contain a resonant oscillating system with a silicon IMPATT diode. The silicon two-drift IMPATT diode was chosen
as an active element due to the fact that its use allows reaching significant levels of pulsed microwave power – an order
DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.10
UDC 621.314.26:621.382.64
DOI: 10.15222/TKEA2021.1-2.10
УДК 621.314.26:621.382.64
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2021, № 1–220 ISSN 2309-9992 (Online)
СВЧ-ТЕХНИКА
11
REFERENCES
1. Karushkin N.F., Kasatkin L.V., Korostylev V.S. et al. [Influence
of coherent radiation properties of microwave ssd oscillators on charac-
teristics of technological doppler radars. SSD Oscillators and Converters
of Millimeter and Sub-Millimeter Range]. Collection of Sc. Proc. IRE,
Academy of Sciences of the Ukrainian SSR, 1989, pp. 108–119. (Rus)
2. Davydova N.S., Daniushevskiy Yu.Z. Diodnyye generatory i
usiliteli SVCH [Diode oscillators and microwave amplifiers]. Moskow,
Radio and communication, 1986, 184 p. (Rus)
3. Teoriya liniy peredachi sverkhvysokikh chastot [Theory of
microwaves transmission lines]. Translated from English by A.I.
Shpuntov. Part II. Moskow, Sov. Radio, 1951, 280 р.
4. Spravochnik po volnovodam [Handbook on waveguides].
Translated from English by Ya.N. Feld. Moskow, Sov. Radio, 1952.
5. Dvornichenko V.P., Karushkin N.F., Malyshko V.V.,
Orekhovsky V.A. [Semiconductor pulse oscillator with electronic
switching of Ka-band frequency]. Tekhnologiya i Konstruirovanie v
Elektronnoi Apparature, 2015, no. 4, pp. 3–7. (Rus)
6. Karushkin N.F., Obukhov I.A., Smirnova E.A. [Application of
industrial watch stone as a housing of a millimeter wavelength range
semiconductor device]. Patent of Russia, no. 2657324С2, 2016. (Rus)
7. Karushkin N.F. [Solid-state components and devices of terahertz
electronic technology in Ukraine]. Radiophysics and Electronics, 2018,
vol. 23, no. 3, pp. 40–64. (Rus)
8. Gorbachev О., Kasatkin L. Complex coaxial-waveguide transi-
tions at millimeter-waves. Microwave Journal, 2001, vol. 44, рp. 90–100.
9. Basanets V.V., Boltovets N.S., Zorenko A.V. et al. [Powerful
silicon pulse IMPATT diodes of 8-millimeter range]. Technique and
Devices of Microwave, 2009, no. 1, pp. 27–30. (Rus)
10. Karushkin N.F. [The use of IMPATT ring structures to increase
the average pulse power of millimeter range oscillators]. Electronic
Engineering. Series 1. Microwave electronics. 2010, vol. 4 (507), pp.
46–54. (Rus)
11. Minakova I.I. Neavtonomnyye rezhimy avtokolebatel’nykh
sistem [Non-autonomous modes of auto oscillating systems]. Moscow
State University Publishing House, 1987, 168 p. (Rus).
12. Endersz G. Stability and linearity of frequency modulated
and injection locked oscillators for communication system. Ericsson
Techniques, 1976, vol. 32, no. 4, pp. 249–311.
13. Goedbloed I.I., Vluardingerbrock M.T. Theory of noise and
transfer properties of IMPATT diode amplifiers. IEEE Trans., 1977,
vol. MTT-25, no. 4, pp. 324–332.
14. Gershenzon E.M., Levites A.A., Plokhova L.A. et al. [External
synchronization of IMPATT oscillators]. Radiotekhnika i elektronika.
1984, vol. 29, no. 11, pp. 2179–2183. (Rus)
15. Andreev V.S. [To the theory of synchronization of auto oscil-
lators on devices with negative resistance]. Radiotechnics. 1975, no.
2, pp. 43–53. (Rus).
16. Fomin N.N., Andreyev V.S., Vorobeichikov E.S. et al.
Radiotekhnicheskiye ustroystva SVCH na sinkhronizirovan-
nykh generatorakh [Microwave Radio Engineering Devices on
Synchronized Oscillators]. Moscow, Radio and Communication,
1991, 192 p. (Rus)
17. Thaler H.J., Ulrich G., Weldmenn G. Noise in IMPATT diode
amplifiers and oscillators. IEEE Trans., 1971, vol. MTT-19, no. 8.
pp. 692–697.
Описание статьи для цитирования:
Карушкин Н. Ф. Синхронизация генераторов на ЛПД импульс-
ного и непрерывного действия в мм-диапазоне длин волн.
Часть 1. Конструкции генераторов и обобщенная модель их син-
хронизации внешним сигналом. Техно логия и конструи рование
в электронной аппаратуре, 2021, № 1–2, с. 10–20. http://dx.doi.
org/10.15222/TKEA2021.1-2.10
Cite the article as:
Karushkin N. F. Synchronization of pulsed and continuous-wave
IMPATT oscillators in the millimeter wavelength range. Part 1.
Generator designs and a generalized model of their external signal
synchronization. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2021, no. 1–2, pp. 10–20. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2021.1-2.10
of magnitude higher than those of the most well-known HEMT and pHEMT transistors in the millimeter wavelength
range. It is shown that to reduce losses, the oscillating system should be made in the form of a radial resonator with a
diode casing, which has distributed parameters. This eliminates the use of additional reactive inhomogeneities in the
initial cross-section of the waveguide section of the generator. Due to the low quality factor of the resonant casing of the
diode, the generalized quality factor of the microwave circuit takes the minimum value required to implement a stable
generator synchronization process in the millimeter wavelength range.
The second part of the work will be devoted to synchronized pulse generators with an output power of 20–150 W.
Keywords: millimeter range, IMPATT diode, oscillator, amplifier, frequency multiplier, synchronization.
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-81 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-03T01:01:19Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/5a/4950b97dbe7a68470d8672414dfa0b5a.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-812026-07-02T12:37:27Z Synchronization of pulsed and continuous-wave IMPATT oscillators in the millimeter wavelength range. Part 1. Generator designs and a generalized model of their external signal synchronization Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом Karushkin, Mykola millimeter range IMPATT diode oscillator amplifier frequency multiplier synchronization міліметровий діапазон лавинно-пролітний діод генератор синхронізація Advances in the development of ultrahigh-frequency semiconductor electronics open wide opportunities for developing optimal schemes and designs of microwave power sources in the millimeter wavelength range providing high stability of the frequency and electromagnetic oscillation phase. Synchronized diode generators used in transmit/receive module for active phased array antennas, coherent low-power radar stations, etc. show great promise. The mode of external synchronization of semiconductor generators allows effectively implementing the task of creating output stages of the transmitters with high gain factor, low frequency noise and an output power level corresponding to the maximum power mode.This article presents the first of two parts of the study, which summarizes the results achieved so far in the development of synchronized oscillators based on impact ionization avalanche transit-time (IMPATT) diodes. The first part presents the electrodynamic designs of the oscillators, which are synchronized with an external source of microwave oscillations and contain a resonant oscillating system with a silicon IMPATT diode. The silicon two-drift IMPATT diode was chosen as an active element due to the fact that its use allows reaching significant levels of pulsed microwave power – an order of magnitude higher than those of the most well-known HEMT and pHEMT transistors in the millimeter wavelength range. It is shown that to reduce losses, the oscillating system should be made in the form of a radial resonator with a diode casing, which has distributed parameters. This eliminates the use of additional reactive inhomogeneities in the initial cross-section of the waveguide section of the generator. Due to the low quality factor of the resonant casing of the diode, the generalized quality factor of the microwave circuit takes the minimum value required to implement a stable generator synchronization process in the millimeter wavelength range. The second part of the work will be devoted to synchronized pulse generators with an output power of 20–150 W. Успіхи розвитку напівпровідникової електроніки надвисоких частот відкривають широкі можливості для розробки оптимальних схем і конструкцій джерел НВЧ-потужності міліметрового діапазону довжини хвиль, що забезпечують високу стабільність частоти та фази електромагнітних коливань. Великі перспективи пов'язані з використанням синхронізованих діодних генераторів, які знаходять застосування в приймально-передавальних модулях активних фазованих антенних решіток, когерентних радіолокаційних станціях малої потужності тощо. Завдання створення вихідних каскадів передавачів з високим коефіцієнтом посилення, низьким рівнем частотного шуму та рівнем вихідної потужності, відповідним до максимального енергетичного режиму, ефективно реалізується із застосуванням режиму зовнішньої синхронізації напівпровідникових генераторів.У цій статті наведено першу з двох частин роботи, де узагальнено результати, досягнуті на цей час при розробці синхронізованих генераторів на лавинно-пролітних діодах. У першій частині представлено електродинамічні конструкції генераторів, що синхронізуються зовнішнім джерелом СВЧ-коливань, які містять резонансну коливальну систему з кремнієвим лавинно-пролітним діодом (ЛПД). Вибір кремнієвого дводрейфового ЛПД як активного елементу визначається тим, що при його використанні реалізуються значні рівні імпульсної НВЧ-потужності — на порядок вищі, ніж у найбільш відомих транзисторів HEMT і pHEMT у діапазоні міліметрових довжин хвиль. Показано, що для зменшення втрат коливальну систему слід виконувати у вигляді радіального резонатора з використанням діодного корпусу, що має розподілені параметри. При цьому виключається застосування додаткових реактивних неоднорідностей у вихідному перерізі хвилеводної секції генератора. Через низьку добротність резонансного корпусу діода узагальнена добротність НВЧ-ланцюга приймає мінімальне значення, необхідне для реалізації сталого процесу синхронізації генераторів в діапазоні міліметрових хвиль.Другу частину роботи буде присвячено синхронізованим генераторам імпульсної дії з вихідною потужністю 20–150 Вт. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-03-23 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.10 10.15222/TKEA2021.1-2.10 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 10-20 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 10-20 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.10/74 Copyright (c) 2021 Mykola Karushkin http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | міліметровий діапазон лавинно-пролітний діод генератор синхронізація Karushkin, Mykola Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title | Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title_alt | Synchronization of pulsed and continuous-wave IMPATT oscillators in the millimeter wavelength range. Part 1. Generator designs and a generalized model of their external signal synchronization |
| title_full | Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title_fullStr | Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title_full_unstemmed | Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title_short | Синхронізація генераторів на ЛПД імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. Частина 1. Конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| title_sort | синхронізація генераторів на лпд імпульсної та безперервної дії у мм-діапазоні довжини хвиль. частина 1. конструкції генераторів і узагальнена модель їх синхронізації зовнішнім сигналом |
| topic | міліметровий діапазон лавинно-пролітний діод генератор синхронізація |
| topic_facet | millimeter range IMPATT diode oscillator amplifier frequency multiplier synchronization міліметровий діапазон лавинно-пролітний діод генератор синхронізація |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.1-2.10 |
| work_keys_str_mv | AT karushkinmykola synchronizationofpulsedandcontinuouswaveimpattoscillatorsinthemillimeterwavelengthrangepart1generatordesignsandageneralizedmodeloftheirexternalsignalsynchronization AT karushkinmykola sinhronízacíâgeneratorívnalpdímpulʹsnoítabezperervnoídííummdíapazonídovžinihvilʹčastina1konstrukcíígeneratorívíuzagalʹnenamodelʹíhsinhronízacíízovníšnímsignalom |