ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ СВЧ ГЕНЕРАТОР

Предлагаемая полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в системах телекоммуникаций и СВЧ-измерений в качестве перестраиваемого источника монохроматического сигнала с низким уровнем фазовых шумов.
Из существующего уровня техники известен генератор СВЧ сигнала (Chang N.S., Hayamizu Т., Matsuo Y., YIG-tuned Gunn effect oscillator // Proceedings of the IEEE. T. 55. №. 9. p. 1621-1621, 1967, US 3546624 A, US 3573659 A), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме сферического железо-иттриевого резонатора (ЖИГ-резонатора), находящегося в магнитной системе, СВЧ-усилителя и СВЧ направленного ответвителя. Генератор позволяет перестраивать несущую частоту СВЧ сигнала путем изменения поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой. Недостатками данного генератора являются высокий уровень фазовых шумов генерируемого СВЧ сигнала и невозможность реализации конструкции в планарном исполнении. Первый недостаток вытекает из низкой добротности ЖИГ-резонатора или, иными словами, исходя из низкой крутизны фазо-частотной характеристики резонатора. Второй недостаток обусловлен объемной формой ЖИГ-резонатора и необходимостью ручного монтажа ЖИГ-резонатора в схему генератора.
Из существующих публикаций известен генератор (Белкин М.Е., Лопарев А.В., Оптоэлектронный генератор СВЧ сигналов: моделирование и исследование спектральных характеристик // Нано- и микросистемная техника, Т. 9, с. 29-33, 2011), состоящий из последовательно включенных по кольцевой схеме ЖИГ-резонатора, находящегося в магнитной системе, оптического модулятора, модулирующего излучение лазера, оптической линии задержки сигнала, фотодетектора, СВЧ-усилителя и СВЧ направленного ответвителя. Благодаря большому времени задержки в оптической линии задержки уровень фазовых шумов в таком генераторе меньше, чем в генераторе, содержащем только ЖИГ-резонатор. Перестройка частоты генерируемого сигнала осуществляется за счет перестройки рабочей частоты частотозадающего элемента - ЖИГ-резонатора, путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой. Недостатком данного генератора является невозможность реализации конструкции частотозадающего элемента в планарном исполнении. Данный недостаток обусловлен объемной формой ЖИГ-резонатора и необходимостью ручного монтажа ЖИГ-резонатора в схему генератора.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому генератору является генератор СВЧ сигнала, описанный в (Ishak W., Reese Е., Baer R., & Fowler M., Tunable magnetostatic wave oscillators using pure and doped YIG films // IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 20, №.5, p. 1229-1231, 1984). Данный генератор СВЧ сигнала включает в себя последовательно соединенные в кольцевую схему спин-волновую линию задержки, находящуюся в магнитной системе, СВЧ-усилитель и СВЧ направленный ответвитель. Реализация конструкции прототипа возможна в планарном исполнении. Перестройка частоты генерируемого сигнала осуществляется за счет перестройки рабочей частоты частотозадающего элемента - спин-волновой линии задержки, путем изменения магнитного поля, создаваемого магнитной системой.
Данная известная конструкция прототипа имеет существенный недостаток, заключающийся в большом уровне фазовых шумов. Данный факт обусловлен тем, что спин-волновая линия задержки, используемая в данной конструкции вносит большие потери на распространение СВЧ сигнала порядка 20 дБ/мкс (Вапнэ Г.М., СВЧ устройства на магнитостатических волнах // Обзоры по электронной технике, Сер. 1, вып. 8-1060, С. 125, 1984). Увеличение времени задержки спин-волновой линией задержки ведет к возрастанию потерь в кольцевой системе и, как следствие, к возрастанию величины уровня фазовых шумов.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание перестраиваемого СВЧ генератора с низким уровнем фазовых шумов.
Для решения поставленной задачи предлагаемая конструкция перестраиваемого СВЧ генератора, так же как и известная, содержит спин-волновую линию задержки, помещенную в магнитную систему, СВЧ-усилитель, выход которого соединен со входом спин-волновой линии задержки через СВЧ направленный ответвитель. Но, в отличие от известного решения, выход спин-волновой линии задержки соединен с оптическим модулятором, модулирующим излучение лазера, к выходу модулятора подключена оптическая линия задержки, соединенная с фотодетектором, выход которого соединен с СВЧ усилителем.
Технический результат заключается в уменьшении уровня фазовых шумов генератора. Данный результат достигается за счет того, что в конструкцию введены оптический модулятор, модулирующий излучение лазера, подключенной к выходу модулятора оптической линии задержки, соединенной с фотодетектором, которые в совокупности увеличивают крутизну фазо-частотной характеристики кольцевой схемы за счет увеличения времени задержки сигнала в схеме на время задержки, которое вносит в конструкцию оптическая линия задержки, но меньшие по сравнению со спин-волновой линией задержки потери, около или менее 0,4 дБ/мкс.
Полезная модель иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема полезной модели генератора. На фиг. 2 приведено сравнение спектров фазовых шумов типичного прототипа и результатов теоретического расчета предлагаемой конструкции. На фиг. 3 приведены результаты экспериментального и теоретического исследования фазовых шумов перестраиваемого СВЧ генератора.
Перестраиваемый СВЧ генератор содержит спин-волновую линию задержки, которая может быть выполнена в виде волновода спиновых волн, изготовленного из пленки ЖИГ 1, с входной антенной спиновых волн 2 и выходной антенной спиновых волн 3. Спин-волновая линия задержки помещена в магнитную систему 4. Выход спин-волновой линии задержки соединен с оптическим модулятором 5, модулирующим оптическое излучение лазера 6, проходящее в оптоволоконную линию задержки 7, соединенную с фотодетоктором 8. Выход фотодетектора 8 соединен со входом СВЧ-усилителя 9. Выход СВЧ-усилителя 9 через СВЧ направленный ответвитель 10 соединен с входной антенной спиновых волн 2.
Принцип действия генератора основан на следующей последовательности процессов: тепловой шум, существующий в системе, возбуждает широкополосный СВЧ сигнал в СВЧ-усилителе 9, который усиливает сигнал и через СВЧ направленный ответвитель 10 подает его в спин-волновую линию задержки на входную антенну спиновых волн 2. СВЧ сигнал, пройдя спин-волновую линию задержки, поступает на выходную антенну спиновых волн 3. Спин-волновая линия задержки, включающая в себя волновод спиновых волн 1, входную антенну спиновых волн 2, выходную антенну спиновых волн 3 находится внутри магнитной системы 4. СВЧ сигнал с выхода спин-волновой линии задержки поступает в оптический модулятор 5 и модулирует оптическое излучение лазера 6. Модулированное СВЧ сигналом оптическое излучение лазера поступает в оптическую линию задержки 7, соединенную с фотодетектором 8. СВЧ сигнал с выхода фотодетектора через СВЧ усилитель 9 и СВЧ направленный ответвитель 10 подается на входную антенну спин-волновой линии задержки 2. Генерация СВЧ сигнала в генераторе возникает при компенсации суммарных потерь сигнала в схеме генератора СВЧ усилителем 9. Описанная схема является резонансной и отбирает внутри себя на основе закона баланса фаз и закона баланса амплитуд единственную частоту, на которой генерируется сигнал. Создаваемый системой монохроматический СВЧ сигнал выводится наружу при помощи СВЧ направленного ответвителя 10. Перестройка резонансных частот осуществляется путем изменения величины поля подмагничивания, создаваемого магнитной системой 4. Достоинствами схемы генератора является возможность планарной реализации частотозадающего элемента генератора и низкий уровень фазовых шумов генерируемого СВЧ сигнала.
Предлагаемая полезная модель относится к типу генераторов, управляемых линией задержки. Для данного типа генераторов спектр фазовых шумов генерируемого монохроматического сигнала определяется выражением (Е. Rubiola, Phase noise and frequency stability in oscillators, Cambridge: Cambridge University Press, P. 204, 2008)
d
где  - частота отстройки от частоты генерируемого сигнала; G - коэффициент усиления усилителя; F - коэффициент шума усилителя; k - постоянная Больцмана; Т - температура; Р - мощность сигнала;  - частота отстройки, на которой возникает фликер-шум активного элемента (усилителя); ∂φ/∂ω - крутизна фазо-частотной характеристики схемы генератора на частоте генерации СВЧ сигнала. Крутизна фазо-частотной характеристики в основном определяется временем задержки сигнала внутри схемы генератора на частоте генерации - τ и равна ей:
В полезной модели спин-волновая линия задержки не только обеспечивает частотную фильтрацию генерируемого сигнала и перестройку СВЧ генератора, но и вносит дополнительное время задержки. Таким образом, суммарное время задержки сигнала
opt
sw
где τ - задержка сигнала в оптической линии задержки, τ - задержка сигнала в спин-волновой линии задержки.
Зависимости спектров фазовых шумов в различных конструкциях генератора представлены на фиг. 2. Кривая 1 на фиг. 2 соответствует генератору - типичному прототипу, представленному в (Ishak W., Reese Е., Baer R., & Fowler M., Tunable magnetostatic wave oscillators using pure and doped YIG films // IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 20, №.5, p. 1229-1231, 1984), кривые 2 и 3 соответствуют полезной модели. Они рассчитаны по выражениям (1)-(3).
sw
opt
opt
При расчете теоретических зависимостей полезной модели использовались параметры известного прототипа (Ishak W., Reese Е., Baer R., & Fowler M., Tunable magnetostatic wave oscillators using pure and doped YIG films // IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 20, №.5, p. 1229-1231, 1984): частота генерации 5.5 ГГц и время задержки τ 200 нс. Кривая 2 была рассчитана в допущении, что время задержки сигнала в оптической линии задержки τ равно нулю. В этом случае спектр шумов выходного сигнала предлагаемой модели аналогичен спектру шумов прототипа. Кривая 3 была рассчитана в допущении, что время задержки в оптической линии задержки τ составляло 10 мкс. В этом случае видно значительное уменьшение уровня фазовых шумов выходного сигнала. Так, например, на частоте отстройки  мощность фазовых шумов при внесении оптической линии задержки уменьшается на 38 дБн/Гц.
sw
орt
Для проверки заявленного технического результата было проведено исследование экспериментального макета, собранного по фиг. 1. В экспериментальном макете спин-волновая линия задержки вносила задержку τ=45 нс. Оптическая линия задержки вносила задержку τ=4,96 мкс. Результаты измерения фазовых шумов представлены на фиг. 3. Кривая 1 соответствует экспериментально измеренной характеристике. Кривая 2 соответствует результатам теоретического расчета, выполненного по выражениям (1)-(3). Теоретическая и экспериментальная кривые совпадают. Полученное в эксперименте значение уровня фазовых шумов на отстройке 10 кГц составило около -125 дБн/Гц, что было ниже уровня фазовых шумов, продемонстрированного прототипом, на 15 дБн/Гц.
Таким образом, описание генератора доказывает достижение технического результата - снижение уровня фазового шума перестраиваемого СВЧ генератора.