РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 58, № 10, с. 1044-1047
К 60-ЛЕТИЮ ИРЭ ИМ. В.А. КОТЕЛЬНИКОВА РАН
УДК 621.396.67
ГЕНЕРАЦИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫМИ АНТЕННАМИ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ В УСЛОВИЯХ СИНХРОНИЗАЦИИ ВНЕШНИМ СИГНАЛОМ
© 2013 г. В. Е. Любченко, Е. О. Юневич, В. И. Калинин, В. Д. Котов, Д. Е. Радченко, С. А. Телегин
Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Российская Федерация, 141190 Фрязино, Московской обл., пл. Введенского,1 Поступила в редакцию 03.02.2013 г.
Исследованы эффекты внешней синхронизации электромагнитным полем матрицы антенн-генераторов (АГ) на полевых транзисторах, интегрированных с логопериодической антенной. Показана возможность сложения в пространстве мощностей излучения АГ, расположенных на общей диэлектрической подложке в виде одномерной матрицы. Показано, что применение внешней синхронизации позволяет в несколько раз увеличить полосу синхронизации ансамбля независимых автогенераторов по сравнению со случаем взаимной синхронизации общим полем, распространяющемся в диэлектрической подложке.
Б01: 10.7868/80033849413080056
ВВЕДЕНИЕ
Создание источников излучения в виде интегральных модулей, в которых активный элемент (диод или транзистор) монтируется непосредственно на антенну без промежуточных фидеров, и сложение мощностей таких излучателей в пространстве является эффективным способом повышения выходной мощности полупроводниковых генераторов сантиметрового и миллиметрового диапазона волн [1, 2]. Наиболее эффективным представляется использование микрополосковых антенн логопериодического типа, интегрированных с полевыми транзисторами [3]. Расположенные периодически на общей диэлектрической подложке, такие излучатели представляют собой активную фазированную антенную решетку (АФАР). Эксперименты, проведенные в [4], показали, что при работе антенн-генераторов (АГ), собственные частоты генерации которых различаются менее чем на 50 МГц, происходит их взаимная синхронизация, в результате которой осуществляется генерация и излучение матрицы АГ на частоте, как правило, не совпадающей с какой-либо из собственных частот АГ. Взаимное влияние излучателей осуществляется преимущественно путем возбуждения поверхностных волн в диэлектрической подложке. Если антенны расположены линейно и расстояние между центрами соседних антенн близко к длине волны в диэлектрике, происходит когерентное суммирование мощностей излучения антенн-генераторов в про-
странстве, что подтверждается сужением общей диаграммы направленности (ДН) излучения. Однако при создании на одной подложке двумерной матрицы АГ не обеспечивается синхронное по фазе взаимодействие колебаний всех АГ, в результате чего формируется многолучевая ДН антенной решетки [4].
Один из способов синхронизации большого количества активных антенн заключается в облучении матрицы АГ внешним электромагнитным полем. В работе [5] экспериментально показана возможность внешней синхронизации в частотной полосе захвата для отдельно взятой антенны-генератора при облучении ее электромагнитным полем от внешнего источника. В данной работе исследованы эффекты синхронизации внешним полем матрицы антенн-генераторов на полевых транзисторах, интегрированных с логопериоди-ческой антенной.
1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Одномерная линейная матрица АГ изображена на рис 1. Микрополосковые печатные антенны логопериодического типа были размещены на диэлектрической подложке с расстоянием между центрами симметрии для соседних антенн равным 0.88^д, где — длина волны в диэлектрике. В качестве активных элементов использовались полевые транзисторы МЕ350184С с рабочей частотой до 20 ГГц, напряжение сток-исток 2.5 В, ток — около 20 мА. Основная частота генерации АГ состав-
ГЕНЕРАЦИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫМИ АНТЕННАМИ
1045
(а) (б)
щ О О СО О О Си Транзистор Антенна ,_^ , Г Экран(земля)
Рис. 1. Линейная матрица АГ (а) и отдельная АГ в разрезе (б).
ляла примерно 16.5 ГГц и могла изменяться при регулировке напряжений питания транзистора в диапазоне до 100 МГц. Разброс собственных частот АГ в матрице составлял около 400 МГц. Схема установки для исследования генерации линейной матрицы АГ в условиях воздействия внешнего синхросигнала представлена на рис. 2. Облучение матрицы полем синхросигнала, а также прием излучения АГ производился через рупорные антенны.
Для измерения диаграммы направленности матрицы АГ излучаемая мощность принималась рупорной антенной и регистрировалась измерителем мощности, термисторный блок которого был установлен непосредственно на выходе рупорной антенны. Воздействие внешним электромагнитным полем с линейной поляризацией на матрицу АГ производилось с помощью излучающей рупорной антенны, соединенной через регулируемый аттенюатор с генератором синхросигнала. Приемная измерительная и излучающая синхросигнал антенны были расположены в дальней зоне, и их присутствие не оказывало заметного влияния на режим генерации и излучения матрицы АГ. Спектр электромагнитного поля регистрировался панорамным анализатором спектра НР 8566А с разрешением по высокой частоте 100 КГц.
2. СИНХРОНИЗАЦИЯ ОДИНОЧНОЙ АНТЕННЫ-ГЕНЕРАТОРА ВНЕШНИМ СИГНАЛОМ
Мощность генерации одиночной антенны-генератора составляла 10.. .12 мВт, при коэффициенте полезного действия около 20%. Под воздействием внешнего сигнала собственная частота АГ может перестраиваться в широких пределах. При этом мощность, необходимая для синхронизации одной АГ, не превышает 1 мВт, что на порядок меньше генерируемой. Было обнаружено, что внешняя синхронизация одиночной АГ приводит к существенному изменению формы диаграммы направленности и генерируемой мощности (см. рис. 3), что может быть обусловлено изменением режима работы транзисторов или нелинейного импеданса антенны-генератора.
Поворотная платформа
Измеритель
мощности
Анализатор
спектра
Рис. 2. Схема установки для исследования синхронизации антенн-генераторов внешним электромагнитным полем.
60 90 Ф,град
Рис. 3. Одиночная антенна-генератор без внешнего воздействия (1) и синхронизированная внешним полем (2).
1046
ЛЮБЧЕНКО и др.
А/, МГц 400
300 -
200 -
100
50 100 150 200 250 300
Ф, мкВт/см2
Рис. 4. Зависимость полосы внешней синхронизации А/ для отдельно взятой АГ (1) и линейных решеток из двух (2) и трех (3) взаимно синхронизированных АГ от плотности потока мощности Ф синхросигнала.
3. СИНХРОНИЗАЦИИ МАТРИЦЫ АНТЕННЫ-ГЕНЕРАТОРА
Исследовалась возможность синхронизации внешним полем как работающих совместно и уже взаимно синхронизированных антенн-генераторов, так и работающих автономно. При одинаковых напряжениях питания транзисторов собственные частоты АГ отличаются более чем на 50 МГц, и, как правило, они не синхронизируются взаимно. При уменьшении расстояния между соседними частотами путем регулировки питания до 50 МГц излучатели взаимно синхронизируются, как это наблюдалось ранее [4].
В случае уже взаимно синхронизированных АГ, диапазон частот внешнего сигнала, в котором имеет место синхронизация на частоте внешнего сигнала (полоса внешней синхронизации), зависит от количества работающих антенн-генераторов и плотности потока мощности электромагнитного поля, воздействующего на АГ (рис. 4). Из рис. 4 видно, что при увеличении количества одновременно работающих АГ полоса синхрониза-
0
± отн -10 -20 -30 -40 -50 -60
дБ
(а)
Дтн дБ -10 -20 -30 -40 -50 -60
(б)
16.0 16.5 17.0 17.5
/, ГГц
± отн--10 -20 -30 -40 -50 -60
дБ
(в)
16.0 16.5 17.0 17.5
/, ГГц
17.5
/, ГГц
Рис. 5. Изменение спектра излучения матрицы, состоящей из трех АГ, при синхронизации внешним сигналом: а) в отсутствие внешнего сигнала; б) внешний сигнал вне полосы синхронизации и матрица антенн взаимно синхронизована; в) внешний сигнал в полосе синхронизации; 1 - частота излучения АГ, 2 - частота внешнего сигнала.
0
-90-60-30 0 30 60 90 Ф, град
0
-90 -60 -30 0 30 60 90 Ф, град
1.00 0.75 0.50 0.25 0
(в)
90 -60 -30 0 30 60 90 Ф, град
Рис. 6. Вид ДН матрицы, состоящей из четырех АГ, в плоскости продольной оси: а) автономная работа (частоты максимально разнесены); б) взаимная синхронизация (частоты сближены до 50 МГц); в) внешняя синхронизация.
отн
ГЕНЕРАЦИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ АКТИВНЫМИ АНТЕННАМИ
1047
ции внешним сигналом уменьшается. Полоса внешней синхронизации монотонно растет по мере увеличения плотности потока мощности электромагнитного поля, воздействующего на матрицу.
В случае одновременной работы нескольких излучателей в решетке и отсутствия между ними взаимной синхронизации возможности внешней синхронизации определяются многими факторами — количеством АГ, разбросом собственных частот и мощностей генерации излучателей, геометрическим положением антенн, плотностью потока мощности синхросигнала в месте расположения АГ. Например, решетка из двух излучателей синхронизируется внешним полем при разности собственных частот до 130 МГц и мощности синхросигнала 300 мкВт/см2. В случае решетки из четырех АГ общий диапазон собственных частот, при котором возможна внешняя синхронизация, может достигать 450 МГц при условии, что частоты отдельных генераторов расположены относительно равномерно в этом диапазоне и разность двух соседних частот не превышает 150 МГц. Это в несколько раз превышает допустимый разброс частот отдельных АГ, при котором имеет место взаимная синхронизация.
Эволюция спектров излучения линейной матрицы из трех АГ при внешней синхронизации изображена на рис. 5. Собственные частоты АГ расположены в диапазоне 250 МГц. В отсутствие синхросигнала, за счет взаимодействия между генераторами, устанавливается асинхронный режим с многочастотным спектром колебаний (рис. 5а). При воздействии внешнего синхросигнала вблизи полосы полной синхронизации наблюдается частичная синхронизация колебаний отдельных генераторов (рис. 5б). В результате частичной синхронизации скачком устанавливается генерация всех трех АГ на общей частоте, отличной от частоты воздействующего синхросигнала. Результирующий спектр излучения содержит общую частоту генерации (1), частоту синхросигнала (2) и комбинационны
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.