Генератор СВЧ шумовых колебаний
MICROWAVE NOISE GENERATOR

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при разработке аппаратуры миллиметрового диапазона волн различного назначения, в частности для шумовой радиолокации, радиовидения и медицины.
Известно описание генерации шумовых колебаний в диодном генераторе с коаксиальным резонатором при возбуждении одночастотного и трехчастотного режима генерации («Экспериментальное исследование возбуждения шумовых колебаний в генераторах на лавинно-пролетных диодах» // Радиотехника и электроника. 1996, том 41, №12, с 1484-1489). Генератор СВЧ шумовых колебаний представляет собой одномодовый или многомодовый резонатор, образованный отрезком коаксиальной линии, короткозамкнутой с одного конца неподвижной металлической пластиной, а с другого - одной подвижной закорачивающей шайбой. При этом к металлической пластине подключен одним контактом лавинно-пролетный диод (ЛПД), а к другому его контакту подсоединен центральный проводник коаксиальной линии. Постоянное напряжение подводится к ЛПД через центральный проводник коаксиальной линии. В зависимости от положения подвижной шайбы, устанавливаемой на разные расстояния от диода, возбуждается либо один, либо несколько резонансов, а затем при увеличении тока реализуется режим шумовой генерации.
Недостатком такого генератора является то, что такую конструкцию нельзя использовать в миллиметровом диапазоне длин волн.
Известен также генератор СВЧ шумовых колебаний по АС №1308143А. Конструкция этого диодного генератора наиболее близка к предлагаемому изобретению.
Он содержит отрезок прямоугольного волновода, в котором установлен подвижной короткозамыкающий поршень и полупроводниковый диод, установленный между концом коаксиальной линии, перпендикулярно присоединенной к одной широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, и одним концом ее центрального проводника, другой конец которого пропущен сквозь отверстие в другой широкой стенке отрезка прямоугольного волновода, при этом в отверстие соосно с центральным проводником отрезка коаксиальной линии установлена с возможностью продольного перемещения тонкостенная металлическая труба, а в тонкостенной металлической трубе установлена с возможностью продольного перемещения дополнительная металлическая труба, имеющая электрический контакт с внутренней поверхностью тонкостенной металлической трубы и центральным проводником отрезка коаксиальной линии, торец подвижного короткозамыкающего поршня имеет форму цилиндрической поверхности, сосной с центральным проводником отрезка коаксиальной линии и радиусом R, выбранным из соотношения 0.5а≤R≤0.6a, где а - размер широкой стенки волновода, а внешний радиус r тонкостенной металлической трубы выбран из соотношения r≤0.4а.
Недостатком этой конструкции является невозможность использования ее в миллиметровом диапазоне, особенно в коротковолновой его части. Действительно, уже для 8 мм диапазона размер широкой стенки волновода составляет 7.2 мм, а наружный диаметр 2r≤(2×0.4)а тонкостенной металлической трубы должен согласно описанию по АС №1308143А генератора СВЧ шумовых колебаний быть равен 5.76 мм. Если толщина ее стенки равна 0.38 мм, а для обеспечения жесткости центрального металлического проводника его диаметр должен быть по крайней мере 2 мм, то толщина дополнительной металлической трубы будет 1.5 мм. Поэтому, например, для волновода, у которого ширина широкой стенки 5.2 мм, при той же толщине стенок тонкостенной трубы (5.2×0.8-0.76)=3.4 мм толщина дополнительной металлической трубы составит 0.7 мм. Для волновода с широкой стенкой 3.6 мм аналогичный расчет дает толщину дополнительной металлической трубы 0.06 мм. Таким образом, для реализации этого изобретения в миллиметровом диапазоне, а особенно в коротковолновой его части, возникают непреодолимые трудности.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении средней частоты спектра генерации шумовых колебаний в миллиметровом диапазоне длин волн.
Для решения этой задачи генератор СВЧ шумовых колебаний, содержащий отрезок прямоугольного волновода с подвижным короткозамыкающим поршнем и двумя соосными отверстиями в его широких стенках, тонкостенную металлическую трубу, центральный проводник, расположенный в тонкостенной металлической трубе соосно с ней, полупроводниковый диод, подключенный одним контактом к центральному проводнику, дополнительную металлическую трубу, установленную сосно с тонкостенной металлической трубой с возможностью перемещения вдоль нее и имеющую с ней электрический контакт, в отличие от прототипа, содержит металлический корпус, в котором выполнены упомянутый отрезок прямоугольного волновода, цилиндрическую полость, имеющую диаметр D, равный внешнему диаметру дополнительной металлической трубы, и расположенную со стороны одной из широких стенок волновода, соосно с цилиндрической полостью внутри нее расположена упомянутая тонкостенная металлическая труба и установлена неподвижно так, что ее торец образует с внешней поверхностью упомянутой широкой стенки волновода кольцевую щель, упомянутый центральный проводник установлен с возможностью осевого перемещения и содержит сменный контактный диск на конце, обращенном к полупроводниковому диоду, дополнительная металлическая труба установлена в цилиндрической полости снаружи тонкостенной трубы соосно с ней и цилиндрической полостью и имеет с ними электрический контакт, при этом наружный диаметр d тонкостенной металлической трубы и наружный диаметр D дополнительной металлической трубы выбираются из соотношения π(D+d)/2>λ>а, где λ - высокочастотная длина волны спектра генерации шумовых СВЧ-колебаний, а - размер широкой стенки волновода, при этом полупроводниковый диод другим своим контактом подсоединен к теплоотводу, установленному в отверстие противоположной широкой стенки волновода с возможностью перемещения вдоль оси и имеющему с этой стенкой электрический контакт.
Для регулировки связи генератора с нагрузкой в отрезок волновода между диодом и нагрузкой могут быть установлены тонкие штыри, встроенные в широкую стенку отрезка волновода с возможностью их перемещения в направлении, перпендикулярном ей. Изменением связи с нагрузкой можно влиять на режим работы генератора для перевода его в режим генерации шумовых колебаний.
Для предотвращения проникновения излучения в свободное пространство из коаксиальной линии, которую образуют тонкостенная металлическая труба и центральный проводник, последний может быть выполнен с заграждающим фильтром. При этом заграждающий фильтр располагается внутри тонкостенной металлической трубы и при перемещении его вместе с центральным проводником вдоль оси коаксиальной линии может влиять на режим генерации шумовых колебаний.
1
Для расширения спектра генерируемого шума и увеличения его средней частоты по крайней мере в 2 раза отрезок волновода, в котором размещен диод, имеет размер широкой стенки a≤а/2<λ и является запредельным для основной длины волны λ. В этом случае в нагрузку поступает шумовой сигнал на 2-й гармонике основной частоты диапазона, в котором возникает отрицательное сопротивление в диоде.
На фиг. 1 изображена схематично конструкция генератора шумовых колебаний миллиметрового диапазона длин волн (продольный разрез).
Генератор СВЧ шумовых колебаний содержит металлический корпус 1, в котором выполнены отрезок прямоугольного волновода 2 и цилиндрическая полость 3, подвижный короткозамыкающий поршень 4, неподвижную тонкостенную металлическую трубу 5, подвижную дополнительную металлическую трубу 6, имеющую внешний диаметр, равный диаметру цилиндрической полости, а внутренний - внешнему диаметру тонкостенной трубы, полупроводниковый диод 7, теплоотвод 8, центральный проводник 9, образующий с тонкостенной трубой коаксиальную линию с контактным диском 10 и заграждающим фильтром 11, штыри 12 связи с нагрузкой. При этом наружный диаметр d тонкостенной металлической трубы 5 и наружный диаметр D дополнительной металлической трубы 6 выбираются из соотношения π(D+d)/2>λ>а, где λ - высокочастотная длина волны спектра генерации шумовых СВЧ-колебаний, а - размер широкой стенки волновода.
Генератор СВЧ шумовых колебаний работает следующим образом. При подведении через центральный проводник 9 к полупроводниковому диоду 7 постоянного напряжения в полупроводниковом диоде появляется отрицательное сопротивление. Перемещением дополнительной металлической трубы 6, а также перемещением подвижного короткозамыкающего поршня 4, теплоотвода 8 с присоединенным диодом 7 и центрального проводника 9 в осевом направлении достигается сначала выполнение условий возбуждения СВЧ-колебаний на всех резонансных частотах электродинамической системы, определяемой конструкцией генератора, а затем при увеличении тока через диод возбуждаются СВЧ шумовые колебания во всей полосе частот, в которой выполняются условия возбуждения и нелинейного взаимодействия всех резонансов электродинамической системы генератора и имеет место отрицательное сопротивление. При этом подбором положения дополнительной металлической трубы 6, а также перемещением подвижного короткозамыкающего поршня 4, теплоотвода 8 с присоединенным диодом 7 и центрального проводника 9 в осевом направлении достигается улучшение неравномерности спектральной плотности мощности по всей ширине спектра возбуждаемых СВЧ шумовых колебаний.
Регулировкой погружения тонких штырей 12 в волновод 2 (и изменяя, таким образом, связь с нагрузкой) можно влиять на режим работы генератора, облегчая его перевод в режим генерации шумовых колебаний.
При выполнении центрального проводника 9 с заграждающим фильтром 11, который расположен внутри тонкостенной металлической трубы 5, его перемещением вдоль ее оси можно влиять на режим генерации шумовых колебаний, облегчая его получение.
1
При необходимости увеличения средней частоты и одновременного расширения спектра генерируемых шумовых колебаний по крайней мере в 2 раза должно быть изменено соответствующим образом только поперечное сечение отрезка волновода 2, а именно изменен размер его широкой стенки a≤а/2<λ, тогда он является запредельным для основной длины волны λ. Поэтому настройка генератора на режим генерации шумовых колебаний происходит так же, как было описано выше.
Таким образом, за счет выполнения генератора в металлическом корпусе с размещением в нем отрезка волновода с короткозамыкающим поршнем, цилиндрической полости, дополнительной металлической трубы с возможностью перемещения внутри нее и вне тонкостенной металлической трубы, которая выполнена неподвижной, но с электрическим контактом между ними, техническая задача, состоящая в повышении средней частоты спектра генерации шумовых колебаний в миллиметровом диапазоне волн, решена предлагаемым изобретением в полном объеме.