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

Микола Карушкін

doi:10.15222/TKEA2021.1-2.10

Микола Карушкін Науково-дослідний інстітут «Оріон»

DOI: https://doi.org/10.15222/TKEA2021.1-2.10

Ключові слова: міліметровий діапазон, лавинно-пролітний діод, генератор, синхронізація

Анотація

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.

Посилання

Karushkin N.F., Kasatkin L.V., Korostylev V.S. et al. [Influence of coherent radiation properties of microwave ssd oscillators on characteristics 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)

Davydova N.S., Daniushevskiy Yu.Z. Diodnyye generatory i usiliteli SVCH [Diode oscillators and microwave amplifiers]. Moskow, Radio and communication, 1986, 184 p. (Rus)

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.

Spravochnik po volnovodam [Handbook on waveguides]. Translated from English by Ya.N. Feld. Moskow, Sov. Radio, 1952.

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)

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)

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)

Gorbachev О., Kasatkin L. Complex coaxial-waveguide transitions at millimeter-waves. Microwave Journal, 2001, vol. 44, рp. 90–100.

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)

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)

Minakova I.I. Neavtonomnyye rezhimy avtokolebatel’nykh sistem [Non-autonomous modes of auto oscillating systems]. Moscow State University Publishing House, 1987, 168 p. (Rus)

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.

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.

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)

Andreev V.S. [To the theory of synchronization of auto oscillators on devices with negative resistance]. Radiotechnics. 1975, no. 2, pp. 43–53. (Rus)

Fomin N.N., Andreyev V.S., Vorobeichikov E.S. et al. Radiotekhnicheskiye ustroystva SVCH na sinkhronizirovannykh generatorakh [Microwave Radio Engineering Devices on Synchronized Oscillators]. Moscow, Radio and Communication, 1991, 192 p. (Rus)

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.