СВЧ смеситель

Предлагаемое техническое решение относится к технике СВЧ и может использоваться в различных радиотехнических системах, например в СВЧ приемниках РЛС, а также в СВЧ трактах измерительных установок.
Известен СВЧ смеситель (В. Крохин, Элементы радиоприемных устройств СВЧ, Сов. радио, М.,1964 г., стр. 331), который содержит диод с нелинейным сопротивлением. Он имеет коэффициент передачи -(8…9/дб и коэффициент шума 9…10 дб, в результате чего, например, в современных РЛС для обеспечения жестких технических требований на входе приемника необходимо устанавливать малошумящий усилитель с блоком питания. Это значительно уменьшает динамический диапазон приемника, увеличивает габариты, вес и стоимость его.
1
2
2
2
2
Наиболее близким по технической сущности является СВЧ смеситель (RU №44877 U1, опубл. 27.03.2005 г., МПК Н01Р 1/00), который содержит первый и второй входные волноводные СВЧ фильтры, каждый из которых подключен к одному из входов волноводной секции с соосными отверстиями в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, к другой широкой стенке подсоединена выходная коаксиальная линия с фильтром нижних частот, выполненных с единым центральным проводником. Выходная коаксиальная линия подключена к выходу сигнала промежуточной частоты, а в разрыв центрального проводника выходной коаксиальной линии включены последовательно соединенные диод и разделительный конденсатор, к точке соединения которых подключен один выход резистора, а другой его вывод заземлен. Фильтр нижних частот, в котором установлен диод, выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии, длина которого равна четверти длины волны сигнала, поступающего через первый входной волноводный фильтр. Расстояние от оси центрального проводника коротко замкнутого отрезка коаксиальной линии и выходной коаксиальной линии до выхода первого входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны сигнала в волноводе на входе второго входного фильтра, расстояние от оси центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и выходной коаксиальной линии до выхода второго входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе сигнала на входе первого волноводного фильтра. Такой смеситель имеет высокий коэффициент передачи равный отношению мощности сигнала с коаксиального выхода с частотой F к мощности сигнала, поступающего на первый волноводный вход с частотой ƒ. Недостатком известного СВЧ смесителя является необходимость наличия на его втором волноводном входе СВЧ сигнала на частоте ƒ большой мощности, равной 30…35 мвг. Это происходит потому, что коаксиальная линия, включенная последовательно с диодом, имеет волновое сопротивление равное 50 ом, которое в 3…4 раза больше, чем емкостное сопротивление диода на частоте ƒ. В связи с этим большая часть мощности сигнала на частоте ƒ уходит в коаксиальную линию, расположенную в схеме смесителя после диода. Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении в 9…10 раз мощности на частоте ƒ, потребляемой СВЧ смесителем по второму волноводному входу.
Сущность полезной модели состоит в том, что СВЧ смеситель содержит первый входной волноводный фильтр, подключенный к первому входу волноводной секции с соосными отверстиями в ее широких стенках, к одной широкой стенке которой подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, а к другой широкой стенке подсоединена коаксиальная линия с фильтром нижних частот, выполненные с единым центральным проводником. В разрыв единого центрального проводника коаксиальной линии включены последовательно соединенные диод и разделительный конденсатор, к точке соединения которых подключен один вывод резистора, другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот, в котором установлен диод, выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии, длина которой равна четверти длины сигнала, поступающего через первый входной волноводный фильтр. Второй входной волноводный фильтр подключен к второму входу волноводной секции. Расстояние от оси центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и выходной коаксиальной линии до выхода первого входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе сигнала на входе второго входного волноводного фильтра, а расстояния от оси центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии до выхода второго входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе сигнала на входе первого входного волноводного фильтра.
2
Новым в предлагаемой полезной модели является введение металлического диска, который устанавливается на едином центральном проводнике коаксиальной линии между выводом диода и точкой присоединения первого вывода резистора. Диаметр металлического диска меньше внутреннего диаметра коаксиальной линии, а расстояние от плоскости диска до вывода диода равно половине длины волны сигнала на частоте ƒ.
На рис.1 представлена конструкция СВЧ смесителя.
СВЧ смеситель содержит первый входной волноводный фильтр 1, волноводную секцию 2 с соосными отверстиями 3, второй волноводный фильтр 4, короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии 5, выходную коаксиальную линию 6 с фильтром нижних частот 7, единый центральный проводник 8, диод 9, разделительный конденсатор 10, резистор 11, проводник 12, металлический диск 13.
Входные волноводные фильтры 1 и 4 подключены к входам волноводной секции 2, которая выполнена с соосными отверстиями 3 в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии 5, а к другой широкой стенке подсоединена выходная коаксиальная линия 6 с фильтром нижних частот 7, выполненные с единым центральным проводником 8. В разрыв единого центрального проводника 8 включены последовательно соединенные диод 9, установленный в фильтре нижних частот 7, металлический диск 10 и разделительный конденсатор 11, к точке соединения которых подключен один вывод резистора 11, другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии. Металлический диск установлен между диодом и точкой соединения вывода резистора и единого центрального проводника. Проводник 12, находящийся в плоскости соосного отверстия 3, ближайшего к диоду 9, соединяет единый центральный проводник 8 и корпус волноводной секции 2.
Входные волноводные фильтры 1 и 4 можно выполнить, например, из запредельных волноводов, так как они имеют минимальные потери при одинаковом внеполосном запирании. В качестве разделительного конденсатора 10 удобно использовать различного вида конструктивную емкость.
1
2
2
1
2
1
2
вых.
СВЧ смеситель работает следующим образом: на вход 1 СВЧ смесителя поступает первый СВЧ сигнал с частотой ƒ, на вход 2 второй СВЧ сигнал с частотой ƒ и мощностью Р, причем ƒ>ƒ. В диоде 9 происходит образование сигнала с разностной частотой F=ƒ-ƒ и мощностью Р, который проходит через фильтр нижних частот 7 на выход СВЧ смесителя и является полезным сигналом.
2
Так как расстояние от оси единого центрального проводника 8 до выхода первого волноводного фильтра 1, в плоскости которого происходит сигнал закорочен на частоте ƒ, поступающего со второго входа, равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе этого сигнала, то в волноводе секции 2 в плоскости от единого центрального проводника 8 устанавливается максимум электрического поля сигнала со второго входа. Поскольку расстояние от оси единого центрального проводника 8 до выхода второго волноводного фильтра, в плоскости которого происходит закоротка сигнала, поступающего с первого входа, равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе этого сигнала, то в волноводе секции 2 в той же плоскости оси единого центрального проводника 8 устанавливается максимум электрического поля сигнала с первого входа.
1
2
2
1
1
2
2
2
2
Таким образом, единый центральный проводник 8 на частотах ƒ и ƒ возбуждается максимально. Он подключается к диоду 9, в котором небольшая часть мощности сигнала на частоте ƒ совместно с сигналом с первого входа на частоте ƒ образуют выходной сигнал смесителя на частоте F=ƒ-ƒ. Однако значительная часть сигнала на частоте ƒ проходит через коаксиальную линию 6 и не участвует в создании полезного сигнала на частоте F. Для устранения этого недостатка и уменьшения необходимой мощности сигнала на частоте ƒ на входе 2 смесителя предлагается установить в коаксиальной линии 6 на едином центральном проводнике 8 металлический диск 13 между точкой соединения его с выводом резистора 11 и диодом 9, причем расстояние его от диода 9 должно быть равно половине длины волны сигнала на частоте ƒ.
2
2
2
Диаметр металлического диска 13 должен быть меньше внутреннего диаметра корпуса коаксиальной линии 6, вследствие чего на длине диска образуется цилиндрический конденсатор с емкостью С. Сопротивление этого конденсатора на частоте ƒ должно быть меньше величины W в девять-десять раз. Это приводит к максимальному значению тока на частоте ƒ в плоскости металлического диска 13 и, соответственно, замыканию коаксиальной линии 6 на частоте ƒ.
2
2
2
2
2
На участке единого центрального проводника 8 между металлическим диском 13 и диодом 9 образуется стоячая волна тока с частотой ƒ; поскольку это расстояние равно половине длины волны сигнала на частоте ƒ, то коаксиальная линия 6 на выходе диода 9 также будет закорочена для сигнала на частоте ƒ. Поэтому в диоде 9 будет протекать максимальный ток на частоте ƒ, а вся мощность генератора сигнала на частоте ƒ со входа 2 будет приложена к диоду 9.
2
Таким образом, значительная часть мощности сигнала на частоте ƒ уже не будет уходить в коаксиальную линию 6 после металлического диска 13, в связи, с чем мощность на входе 2 будет значительно уменьшена.
2
Предлагаемое техническое решение позволяет получить СВЧ смеситель с низким уровнем потребления мощности СВЧ сигнала с частотой ƒ по входу 2 смесителя. На практике уменьшение этой мощности происходит в 9…10 раз.