Расчет согласующего устройства (полосково-волноводного перехода)

Наиболее простая конструкция полосково-волноводного перехода формируется в результате введения в волновод отрезка полосковой линии на подложке. Согласование достигается за счет выбора длины l отрезка линии, введенного в волновод, и расстояния s от этой линии до короткозамыкателя в торце волновода. Авторы создали конечно-элементную модель полосково-волноводного перехода и программное обеспечение, которое позволяет автоматически варьировать параметры модели. С помощью метода наискорейшего спуска была проведена оптимизация по параметрам l и s с целью минимизации коэффициента стоячей волны (КСВ) на требуемой частоте генерации (рис.6). Была также рассчитана частотная зависимость КСВ при оптимальных параметрах перехода (рис.7).

Наилучшее достигнутое согласование (КСВ=1,15) можно считать достаточным для обеспечения работы генератора. Отметим, что ширина частотной полосы, в которой обеспечивается согласование, достаточно велика (200 МГц). Это позволяет поддерживать генерацию при настроечном смещении частоты.

Макетирование генератора

На основе проведенных расчетов был построен макет (экспериментальный образец) генератора в корпусе размером 32 Ч 20 Ч 14 мм (рис. 8).

Для проверки работоспособности генератора, сопоставления его характеристик с расчетными и достижения требуемых параметров были проведены эксперименты с макетом. Экспериментальные исследования дали следующие результаты:

при отсутствии питания усилителя ** значение КСВ, измеренного со стороны волновода, не превышает 2 в области рабочей частоты генератора (КСВ больше расчетного, поскольку усилитель в выключенном состоянии не обеспечивает согласования по своему выходу). При этом резонансная частота ДР перестраивается с помощью настроечного винта в пределах от 36 ГГц до 39 ГГц;

при включении питания наблюдается ** устойчивая генерация, но на частоте 42,2−45,3 ГГц (заданная частота 37,25 ГГц). Мощность сигнала составляла 14 мВт;

** настраивая колебательную систему и меняя напряжение питание усилителя, можно добиться генерации на частоте 37,08 ГГц при мощности выходного сигнала 6 мВт, но генерация при этом неустойчива по отношению к настройке, наблюдаются перескоки частоты (на частоту ~ 45 ГГц).

Сопоставлением расчетных и экспериментальных результатов было установлено, что устойчивая генерация возникаена частоте высшего типа колебаний (см. табл. 2). Было сделано предположение, что причиной этого стало влияние внешнего блокировочного конденсатора в цепи затворов микросхемы, который размещался сравнительно близко к резонатору и не учитывался при численном синтезе колебательной системы генератора. Для проверки этого предположения было проведено дополнительное численное исследование: конечно-элементную модель колебательной системы генератора дополнили корпусом блокировочного конденсатора и рассчитали резонансные частоты, добротности и комплексные коэффициенты передачи на рабочем и ближайших паразитных типах колебаний ДР. Результаты расчетов приведены в табл.3.

Сравнительный анализ результатов, приведенных в табл. 2 и табл. 3, позволяет сделать вывод: конструктивное исполнение блокировочного конденсатора негативно влияет на работу колебательной системы, что проявилось в уменьшении коэффициента передачи в цепи обратной связи на рабочей частоте. С учетом результатов экспериментов и повторных расчетов макет генератора был доработан — установлен блокировочный конденсатор с гораздо меньшими габаритами, чем предыдущий. Испытания доработанного макета показали, что он сравнительно просто настраивается на заданную частоту, генерация устойчива к включению-выключению, перескоков частоты не наблюдается. Генератор работает устойчиво при следующих параметрах: диапазон механической перестройки — 37,07−37,45 ГГц, потребляемая мощность — Рпотр = 410 мВт, выходная мощность — Рвых = 30 мВт. Важно, что результаты экспериментальных исследований полностью подтвердили достоверность численных расчетов. Более того, именно численное моделирование позволило определить причину проблемы и принять правильное решение. Весь цикл работ по созданию конструкции генератора (за исключением процесса изготовления корпуса и пайки микросхемы) не превысил десяти дней. Таким образом, разработанная на кафедре электрофизики МЭИ (ТУ) методика проектирования СВЧ-генераторов, основанная на применении численных методов расчета электромагнитного поля (метод конечных элементов), позволяет существенно повысить оперативность и удешевить синтез генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. С помощью разработанного алгоритмического и программного обеспечения весь цикл проектирования можно проводить с минимальным участием оператора в создании расчетных моделей. Высокая степень детализации расчетных моделей и точность расчетов позволяют ограничиваться единственной итерацией макетирования генераторов. В результате весь цикл проектирования занимает не более 10 дней (без учета времени изготовления макетов).

генератор миллиметровый диапазон колебательный.