ITRM970394A1 - Sorgente a risonatore dielettrico a modo di galleria - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: "SORGENTE A RISONATORE DIELETTRICO A MODO DI GALLERIA"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda le sorgenti di microonde destinate a fornire un segnale di uscita ad alta purezza spettrale, ad una frequenza che supera 10 Ghz, del tipo comprendente un transistore amplificatore in grado di funzionare in iperfrequenze o onde millimetriche ed un circuito di selezione di frequenza avente un risonatore dielettrico che accoppia l'entrata all'uscita del transistore, utilizzando un montaggio correntemente denominato oscillatore a reazione in parallelo, e ha il vantaggio di una stabilità elevata.

Tali sorgenti trovato un'applicazione in numerosi campi, ed in particolare per fornire la frequenza di eterodinaggio ad un miscelatore di circuito di ricezione o di emissione; a titolo di esempio di applicazione, si possono citare i sistemi di rivelazione di componenti atmosferiche a partire da satelliti.

In numerose applicazioni, ed in particolar su satellite, la sorgente deve avere un ingombro ed un consumo ridotti e fornire una frequenza di uscita stabile e di alta purezza. Inoltre, le applicazioni spaziali esigono un'affidabilità ed una durata di vita elevate.

Sono stati utilizzati in particolare a questo scopo oscillatori a diodo Gunn, che hanno l'inconveniente di dissipare molta energia e di essere poco affidabili. E' stato proposto anche di utilizzare oscillatori del tipo su definito, comprendenti un risonatore dielettrico in modo Te che ha il vantaggio di un consumo minore e di una stabilità elevata. Ma tali risonatori hanno un diametro molto piccolo in microonde, che è per esempio da 2 mm a 24 Ghz, ed un fattore di qualità scarso.

L'invenzione mira in particolare a fornire una sorgente di microonde del tipo su definito che risponde meglio di quelli noti antecedentmente alle esigenze della pratica. A questo scopo viene proposta una sorgente il cui risonatore dielettrico è del tipo funzionante a modo galleria o "whispering gallery mode" in terminologia anglosassone. L'impiego di un transistore associato ad un risonatore ha per giunta il vantaggio di un rendimento (rapporto tra la potenza di uscita ed il consumo) elevato e di una potenza dissipata ridotta.

I modi di risonanza appropriati per un tale funzionamento sono sostanzialmente i modi e

in cui n è l'ordine azimutale corrispondente

all'aspetto di campo. Sarà generalmente preferibile utilizzare il modo indicato in inglese con che ha il vantaggio di un campo magnetico più confinato e di un migliore fattore di qualità. Un vantaggio essenziale di questo modo di risonanza è di corrispodnere ad un diametro più elevato, e quindi ad una produzione più facile, che nel caso del modo TE 01 δ per una stessa frequenza. Il confinamento radiale di energia alla periferia del risonatore, delimitante una zona centrale inattiva o “caustica", si traduce in un coefficiente di qualità elevato.

Il risonatore dielettrico può essere accoppiato ad un circuito mediante il campo magnetico, la cui ripartizione è compatibile con i collegamenti ad una linea di microstriscia.

In assenza di carico, il fattore di qualità aumenta con l'ordine azimutale n. Iin compenso, l'accoppiamento alle linee è più difficile, a causa del confinamento elettromagnetico che aumenta con l'ordine azimutale.

Sovente un compromesso soddisfacente sarà costituito da un valore di n compreso tra 5 e 10, il che corrisponde, per esempio ad un risonatore dielettrico di 10 mm di diametro circa per la banda di 24 GHz.

Un vantaggio supplementare del modo galleria è il fatto che si può conferire al risonatore un'altezza ridotta, che facilita l'integrazione. Per una stessa frequenza, sono possibili più altezze corrispondenti a valori differenti dì n. L'accordo fine della frequenza può venire realizzato tramite un disco metallico regolabile al disopra del risonatore, ma a prezzo di un aumento di ingombro in altezza.

Per il campo di frequenza che va da 1 GHhz a 90 GHz, il transistore oscillatore sarà generalmente un transistore aa ffetto di campo MESFET all'arseniuro di gallio o un transistore HEMT a AlGaAs. La scelta verrà fatta in funzione del parametro che si vuole favorire. Secondo la frequenza, un transistore MESFET o HEMT sarà preferibile nel caso in cui si ricerca una potenza di uscita notevole. Un transistore HEMT sarà pure preferibile quando si ricerca un livello di rumore molto debole.

Le caratteristiche di cui sopra nonché altre appariranno meglio dalla lettura della descrizione che segue di modi particolari di realizzazione, dati a titolo di esempio non limitativo. La descrizione si riferisce ai disegni annessi, nei quali :

- la figura 1 è uno schema di principio di un oscillatore secondo un modo particolare di realizzazione ;

la figura 2 è uno schema destinato a mostrare l'esistenza di una caustica nei modi a galleria,· e

la figura 3 mostra la variazione della frequenza di risonanza in funzione dell'altezza di una cavità funzionante in modo galleria, per più ordini ed in modo elettrico.

L'oscillatore mostrato schematicamente nella figura 1 comprende un transistore ad effetto di campo amplificatore 10 montato a sorgente in comune ed un risonatore dielettrico 12 accoppiato simultaneamente a due linee a microstriscia 14 e 16 appartenenti a circuiti di adattamento. L'uscita a iperfrequenza dell'oscillatore è collegata a massa mediante una resistenza di carico 20. Un circuito di polarizzazione di porta 22 è collegato alla porta G del transistore 10 tramite un circuito di adattamento di impedenza 24. Il drain D del transistore 10 è accoppiato al risonatore 12 attraverso un circuito di adattamento d'impedenza di uscita comprendente una rete 26 e la linea 14. Un circuito di polarizzazione di drain 28 è collegato a quest'ultimo, attraverso la rete 26, allorché la sorgente S è a massa, il che è favorevole al comportamento termico dell'oscillatore, quindi consente una potenza di uscita più notevole per un transistore ed una affidabilità date.

Si osserva che il risonatore dielettrico 12 è accoppiato simultaneamente alle due linee 14 e 16, costituendo così un oscillatore a reazione parallelo. La struttura a reazione in parallelo del drain D verso la porta G è resa possibile grazie all'accoppiamento alle due linee e al senso di circolazione nel risonatore, proprio del modo a galleria. Non sarà possibile raggiungere un risultato paragonabile con un risonatore che utilizza un modo di tipo TE01 δ in cui la resistenza 29 sarà sostituita da un circuito aperto destinato a rendere stazionarie le onde, ciò con un rischio di oscillazione indesiderabile ad altre frequenze.

Il funzionamento di principio di un risonatore in un modo galleria è indicato nella figura 2 sotto forma ottica, nel caso particolare in cui n = 3. L'energia è confinata, nel senso radiale, all'esterno di una zona cilindrica delimitata da un cerchio 30 generalmente denominato caustica. Il raggio di questo cerchio è più o meno grande sedcondo l'ordine azimutale n della risonanza. L'energia è pure confinata nel senso assiale. Questo confinamento permette di ottenere fattori di sovratensione elevati, per il fatto che l'energia irradiata è più debole.

Come è stato indicato più sopra, è possibile scegliere l'ordine azimutale n per la regolazione dell'altezza del risonatore. La figura 3 mostra schematicamente la variazione della frequenza di risonanza in funzione dell'altezza, per diversi valori di n, nel caso particolare di un risonatore avente un raggio di 5 mm e per una costante dielettrica di 30.

A titolo di esempio, si possono fornire le caratteristiche seguenti che sono quelle di un oscillatore che funziona ad una frequenza di 19,625 GHz e fornisce una potenza di uscita di 17 dBm. Il risonatore è in un materiale avente una costante dielettrica ε = 30, con un'altezza di 1,62 mm, per n = 5. L'oscillatore era montato su un sostrato in alluminio. Le tensioni di polarizzazione erano comprese tra -1 e -2V tra porta e sorgente ed inferiore a 7V tra soergente e drain. Le linee microstriscia avevano una impedenza caratteristica di 50 Ω ed erano chiuse su una resistenza di 50 Ω. L'insieme dei componenti (transistore, resistenze a strato sottile, linee a microstriscia e risonatore) era montato in piano sul sostrato in alluminio.

In maniera più generale, l'utilizzazione di un risonatore in modo galleria, costituito da un cilindro di materiale dielettrico di piccolo spessore, permette di realizzare un oscillatore stabile di piccolo spessore. Il risonatore si comporta come un accoppiatore direzionale il cui coefficiente di accoppiamento con l'anello di reazione è regolabile mediante una scelta appropriata delle distanze d1 e d2. Mediante una scelta appropriata del dielettrico che costituisce il risonatore, è possibile trovare il migliore compromesso possibile tra il fattore di qualità o di sovratensione e la costante dielettrica. Infine, l'oscillatore può essere seguito da un moltiplicatore di frequenza per arrivare ad onde millimetriche od anche submillimetriche.

In un modo di realizzazioen che facilita la regolazione dell'oscillatore, le linee 14 e 16 non sono parallele, ma presentano un piccolo angolo, che non supera 10°. In questo caso, la regolazione della sorgente può effettuarsi secondo la sequenza seguente.

In una prima fase, si regola l'amplificazione mediante ricerca di un guadagno sufficiente alla frequenza di funzionamento richiesta. Per ciò, si estromette il risonatore 12 e si regolano gli accoppiamenti dell'amplificatore, raffrontando una entrata nella linea 16 ed una uscita dalla linea 14.

In una seconda fase, si regola la sorgente spostando il risonatore nel senso longitudinale rispetto alle linee 14 e 16, il che modifica la fase di reazione, e si regolano le ampiezze di accoppiamento mediante spostamento, orgonalmente alla direzione delle linee, per modificare d1 e d2 -Una leggera divergenza tra le due linee ha il vantaggio di fornire un grado di liberà supplementare per la regolazione.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sorgente di microonde comprendente un transistore amplificatore (10) atto a funzionare in iperfrequenze o onde millimetriche ed un circuito di selezione di 'frequenza avente un risonatore dielettrico (12) funzionante a modo galleria ed un anello di reazione che accoppia l'entrata all'uscita del transistore, utilizzando una reazione in parallelo e comprendente due linee a microstriscia (16, 14) accoppiate mediante un campo magnetico al risonatore (12) situato tra esse, le linee essendo collegate mediante circuiti di adattamento di impedenza una alla porta e l'altra al drain del transistore.
2. 2. Sorgente secondo la rivndicazioen 1, caratterizzata dal fatto che il risonatore è dimensionato in modo da funzionare con un ordine azimutale n compreso tra 5 e 10.
3. 3. Sorgente secondo la rivndicazioen 1 o 2, caratterizzata "dal fatto che l'amplificatore comprende un transistore ad effetto di campo MESFET ad arseniuro di gallio o un transistore HEMT a AlGaAs.
4. 4. Sorgente secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzata dal fatto che la sorgente del ransistore è a massa e le estremità delle linee a microstriscia (16, 14) opposte a quelle collegate al transistore, di cui una costituisce l'uscita di microonde, sono poste a massa tramite resistenze di carico (29, 20).
5. 5. Sorgente secondo la rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che le due linee fanno un angolo compreso tra 0 e 10°.
6. 6. Sorgente secondo la rivndicazione 4 o 5, caratterizzata dal fatto che il risonatore è spostabile parallelamente alle linee e ortogonalmetne ad esse per regolare la sorgente.
7. 7. Procedimento di regolazione di una sorgente secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che in una prima fase, si regola il guadagno mediante regolazione dell'accoppiamento dell'amplificatore in assenza del risonatore, e dal fatto che, nel corso di una seconda fase, si inserisce il risonatore e si regola la sua posizione per regolare la fase di reazione e i gradi di accoppiamento.