Многофункциональные СВЧ - преобразователи частоты

-\-

УДК 621.372.632

З.Н. Мирзаев, А.М. Щитов, А.Р. Тагилаев

МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВЧ - ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ

Представлены результаты разработки многофункциональных комплексированных СВЧ-устройств с преобразованием частоты - новой узловой элементной базы для создания на ее основе современной радиоэлектронной аппаратуры в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн.

Ключевые слова: Умножители, СВЧ-устройства, комплексированные устройства, высокая кратность, микросборки.

Введение. Развитие техники СВЧ во многом определяется созданием широкой номенклатуры и техническим уровнем основных (базовых) устройств и элементов, а также степенью интеграции отдельных устройств в многофункциональные комплексированные микросборки. К настоящему времени разработан обширный ряд пассивных и активных СВЧ-устройств для различных применений в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) [1,2]: направленные ответвители, согласованные нагрузки, кабельные соединения, коаксиально-волноводные переходы, детекторные головки, фильтры, делители мощности, умножители частоты, смесители, стробпреобразователи, аттенюаторы, усилители, генераторы, электромеханические и электронные переключатели. Данный набор устройств позволяет создавать на их основе многофункциональные комплексированные устройства (микросборки и блоки) и решать различные задачи построения современной РЭА в широком диапазоне частот (от сотен мегагерц до сотен гигагерц).

Использование комплексированных устройств, объединяющих различные функциональные элементы, позволяет существенно уменьшить габариты и массу радиоаппаратуры, снизить электропотребление, повысить надежность и улучшить технические характеристики. Круг задач, решаемых с применением комплексированных устройств сантиметрового (см-) и миллиметрового (мм-) диапазонов длин волн быстро расширяется. Это - создание синтезированных гетеродинов и широкополосных источников сигналов с быстрой перестройкой частоты, преобразователей частоты -входных каскадов радиоприемных устройств (РПУ) и радиоизмерительных приборов (РИП), приемо-передающих модулей в системах радиосвязи и т.д. Многие ведущие в области разработки элементной базы зарубежные фирмы наряду с рекламой традиционных узлов (смесителей, усилителей, умножителей) предлагают комплексированные устройства. Например, ф. Miteq [3] рекламирует преобразователи частоты, содержащие смеситель с умножителем частоты, полосовым фильтром и усилителем в канале гетеродина, что дает возможность в диапазоне частот 26,5-40 ГГц обеспечить потери преобразования не более 10 дБ при частотах гетеродина и промежуточных частотах, равными 8,8-13,3 ГГц и 0-500 МГц соответственно.

При разработке многофункциональных устройств возникает ряд сложных технических задач, связанных с оптимальным выбором структурной схемы, тщательной отработкой конструкции для исключения взаимного паразитного влияния различных элементов, с обеспечением максимального количества функциональных возможностей и универсальности для различных применений. Максимальный эффект от использования многофункциональных СВЧ-устройств связан с их внедрением в РЭА массового производства: системы радиосвязи, радиолокации, навигации, радиоизмерительные приборы.

Цель данной статьи - познакомить заинтересованных специалистов с разработками многофункциональной элементной базы и определить минимально необходимую

номенклатуру унифицированных многофункциональных устройств, оптимальным образом решающих широкий круг задач, поскольку разработка и производство устройств, особенно в миллиметровом диапазоне длин волн, - трудоемкий и дорогостоящий процесс.

Узкополосные умножители частоты высокой кратности. Для формирования спектрально чистых синусоидальных сигналов в диапазоне частот от единиц до десятков гигагерц из сигналов задающих источников с частотами в сотни мегагерц разработан комплект умножителей частоты в соответствии со структурными схемами, приведенными на рисунке 1.

Рис.1 - Структурные схемы умножителей частоты высокой

кратности

Умножители могут содержать одну (а, б) или несколько (в, г, д) цепочек умножения различной кратности с одним (а, в, д) или несколькими (б, г) «развязанными» выходами. Входные усилители мощности с коэффициентом усиления 20 дБ и мощностью выходного сигнала до 100 мВт выполнены на микросхемах типа ERA фирмы Mini Circuits, умножительные каскады выполнены на ДНЗ совместно с полосовым микрополосковым фильтром (ПФ1) на полуволновых связанных резонаторах, выходные усилительные каскады - на бескорпусных транзисторах. Дополнительные полосовые фильтры (ПФ2) -встречно-стержневой структуры или на микрополосковых линиях (МПЛ) с емкостными зазорами. Использование двух ПФ разной структуры обеспечивает высокий уровень подавления паразитных гармоник задающего источника в спектре выходного сигнала. Умножители выполнены в виде микросборок с коаксиальными входами и выходами сечением 3,5/1,5 мм. Все функциональные элементы выполнены в виде модулей на поликоровых подложках. Основные технические характеристики умножителей даны в таблице 2.

Представленные умножители частоты используются для формирования гетеродинных сигналов в различной РЭА. Аналогичные устройства с выходной мощностью 10-100 мВт могут быть разработаны в диапазоне частот до 20-40 ГГц с кратностью умножения до 20 и более.

Формирующие цепи источников СВЧ с многооктавной перестройкой частоты сантиметрового диапазона длин волн. Для построения сверхширокополосных источников сигналов (генераторов, синтезаторов частот, гетеродинов) в диапазоне частот 0,1 -26 ГГц разработан ряд многофункциональных комплексированных ГИС умножителей частоты. Структурные схемы некоторых устройств приведены на рисунке 2.

а)

б)

Рис. 2- Структурные схемы сверхширокополосных УЧ см-диапазона длин волн

Умножители выполнены на основе каскадирования полосовых удвоителей и утроителей частоты. Коммутация сигналов осуществляется с помощью рт-переключателей. Для компенсации потерь преобразования используются встроенные модули усилителей на полевых транзисторах. Базовые элементы устройства -микрополосковые умножители частоты на быстродействующих ДНЗ с полосой рабочих частот до 30% и потерями преобразования 6-10 дБ.

Умножители частоты обеспечивают постоянные потери преобразования в интервале входных мощностей 50-250 мВт при оптимальном для данного уровня мощности напряжении смещения на ДНЗ. С уменьшением входной мощности до 10-20 мВт эффективность умножителя резко падает, что позволяет не предъявлять жестких требований к «развязкам» каналов переключателей. В этом случае удовлетворительные характеристики обеспечивают простейшие однодиодные рш-переключатели на диодах 2А553-3, включенных последовательно в разрыв МПЛ. Усилители мощности выполнены по балансной схеме на полевых транзисторах 3П608А-5 и обеспечивают мощность на входах умножителей до 150 мВт.

Конструктивно умножитель 2-26,4 ГГц выполнен в виде герметизированной микросборки с коаксиальными разъемами сечением 3,5/1,5 мм и НЧ выводами для подключения питания и управляющих напряжений. Все элементы умножителя выполнены на отдельных платформах, встраиваемых в три экранированных отсека корпуса.

Умножитель обеспечивает выходную мощность в диапазоне частот 2-18 ГГц не менее 20 мВт и не менее 10 мВт до 26,4 ГГц при уровне мощности входного сигнала 20

-\-

мВт. Подавление паразитных гармонических составляющих частоты входного сигнала в

спектре выходного сигнала - не менее 25 дБс. Внешний вид умножителя дан на рисунке 3.

Рис. 3 - Внешний вид умножителя

Вариантом пассивного сверхширокополосного умножителя частоты является умножитель-коммутатор 0,1-18 ГГц. Структурная схема устройства приведена на рисунке 86. Он предназначен для формирования зондирующего сигнала в диапазоне частот 0,1-18 ГГц в приборах Р4-53 и Р2-83. Умножитель выполнен в виде микросборки с тремя входами (0,1-1,5 ГГц; 1,5-3 ГГц; 3-6 ГГц) и общим выходом 0,1-18 ГГц. В диапазоне частот 0,1-6 ГГц обеспечивается прямое прохождение сигнала с потерями 5-10 дБ. Диапазон частот 6-18 ГГц формируется умножением частоты на два (6-8 ГГц и 8-11 ГГц) и на три (11-14 ГГц и 14-18 ГГц). Коммутация каналов осуществляется переключателями на рш-диодах. Уровень мощности на выходе - не менее 3 мВт (при Рвх = 200 мВт). Подавление гармоник входного сигнала на выходе - не менее 25 дБс. На выходе умножителя-коммутатора установлен рш-аттенюатор с регулировкой ослабления не менее 30 дБ.

Многокаскадные умножители частоты миллиметрового диапазона длин волн.

Многокаскадные умножители частоты на базе удвоителей и утроителей с коэффициентом умножения 4; 6; ... широко используются для формирования сигналов в диапазоне частот 50-200 ГГц и выше из сигналов высококачественных синтезаторов см-диапазона ~ 10-20 ГГц.

Умножители частоты на 4 и 6 с диапазоном выходных частот 50-75 ГГц и 75-110 ГГц соответственно выполнены в виде каскадного соединения удвоителя частоты 25-40 ГГц с удвоителем частоты 50-75 ГГц или утроителем частоты 75-110 ГГц. Хорошее согласование умножителей (КСВН < 2 по входу и выходу) позволяет соединять их непосредственно без «развязывающих» элементов. Характеристики умножителей приведены в таблице 3.

Таблица 3

Характеристики 7006/ 7008 7006/ 7008-А* 7006/ 7009 7006/ 7009-А*

Диапазон частот, ГГц на: входе 12,5-18,75 12,5-18,75 12,5-18,33 12,5-18,33

выходе 50-75 50-75 75-110 75-110

Уровень мощности на входе, дБм 17-20 17-20 17-20 17-20

Максимальные потери, дБ 23 25

Минимальный уровень мощности на выходе, дБм (при Рвх - тах) 2 0

Неравномерность потерь (Рвых), дБ ± 2,5 ± 2,5 ± 2,5 ± 2,5

Подавление гармоник входного сигнала на выходе, дБс, не менее 20 20 20 20

КСВН выхода 2,0 2,0 2,0 2,0

-\-

Высокая фазостабильность и однозначная зависимость Рвых(Рвх) пассивных умножителей дают большие преимущества при структурной реализации измерителей полной ^-матрицы объекта и, особенно, при измерении параметров антенн, где требуется пространственное разнесение источника и приемника мм-волн. Внешний вид умножителей дан на рисунке 4а.

Успехи последних лет в разработке широкополосных усилителей средней мощности с уровнем мощности 50-100 мВт в диапазоне частот до 40 ГГц создали возможность построения активных умножителей частоты мм-диапазона с повышенной выходной мощностью. Рассмотренные выше умножители частоты на 4 (50-75 ГГц) и на 6 (75-110 ГГц) с использованием межкаскадного усилителя мощности 25-37,5 ГГц (с уровнем выходной мощности 50 мВт) обеспечивают мощность сигнала на выходе не менее 3 мВт (50-75 ГГц) и 1 мВт (75-110 ГГц). В таблице 4 даны типичные характеристики умножителя 75-110 ГГц.

Таблица 4

/вх, ГГц 12,5 13 14 15 16 17 18 18,33

/вых, ГГц 75 78 84 90 96 102 108 110

Р Р вьш мВт Рвх= 100 мВт 1,15 1,15 1,75 2,5 1,7 2,0 1,7 1,0

Рвх= 30 мВт 0,7 1,0 1,2 2,1 1,4 1,6 1,2 0,55

Рвх= 10 мВт 0,23 0,5 0,56 1,0 0,8 0,9 0,55 0,2

КСВН выхода при Рвх = 100 мВт 2 1,7 1,6 1,4 1,4 1,7 1,7 1,7

Выходная мощность умножителей достаточна для использования их в качестве гетеродинов высокочувствительных приемных устройств. Характеристики активных умножителей частоты приведены в таблице 3. Внешний вид умножителей дан на рисунке 4б.

Существенным недостатком широкополосных источников сигналов с использованием умножителей частоты является наличие в спектре выходного сигнала гармоник и субгармоник входного сигнала. Расширение областей применения таких источников в качестве гетеродинов панорамных приемников, анализаторов спектра, измерителей КСВН и ослабления требует увеличения подавления паразитных сигналов до 40-50 дБс.

С этой целью предложены и разработаны удвоители частоты с /^=17,44-26 ГГц и /^=26-37,5 ГГц в виде каскадного соединения удвоителя частоты, ФНЧ с переключаемой частотой среза, усилителя мощности и ФНЧ вафельного типа с широкой полосой заграждения. В таблице 5 приведены экспериментальные результаты измерения выходной мощности умножителя частоты 26-37,5 ГГц и подавления 3-й гармоники входного сигнала на выходе при Рвх = 50 мВт.

Таблица 5

ФНЧ-1 - включен ФНЧ-1 - выключен

/вх, ГГц 12,9 13,5 14 14,5 14,5 15 15,5 16 16,5 17 17,5 18 18,5 18,5

/вых, ГГц 25,8 27 28 29 29 30 31 32 33 34 35 36 37 37,5

Дых, мВт

120 100 120 107 118 97 85 70 85 103 93 58 56 53

Р3/Р2, дБс 55 более 55 более 50

Подавление первой, четвертой и более высоких гармоник входного сигнала на выходах умножителей не менее 55 дБс.

Умножители обеспечивают выходную мощность не менее 50 мВт с уровнем подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала не менее 50 дБс.

-\-

На рис. 4в показан общий вид умножителей частоты.

а) Пассивные умножители частоты на 4

б) Активный умножитель частоты на 6

в) Умножители частоты для спектрально чистых источников сигналов

Рис. 4 - Многокаскадные умножители частоты миллиметрового диапазона длин волн

Представленные устройства с преобразованием частоты являются небольшой частью разрабатываемых многофункциональных комплексированных микросборок -новой узловой элементной базы СВЧ, применение которой позволяет более компактно, с минимальными затратами и на более высоком научно-техническом уровне решать широкий круг задач при построении РЭА СВЧ.

Библиографический список:

1. Coaxial, Waveguide and Optical Test Accessories. Catalog 1998, IEM "Kvarz".

2. Коаксиальные, волноводные и оптические устройства - Каталог ННИПИ «Кварц», Н. Новгород, 2002.

3. Microwave Journal, 12, 2GG2.

4. Щитов A.M., Панков C.B., Береснева Г.М., Шумилов В.А. Преобразователь частоты 0,5-18 ГГц/1-12 ГГц. - В кн. Тезисы докладов и сообщений I Международной НТК «Физика и технические приложения волновых процессов», т.1, Самара, 2001, с. 136.

5. Щитов А.М. Стробоскопический преобразователь амплифазометра СВЧ в режиме двойного преобразования частоты. - Техника средств связи, серия РИТ, 1991, вып.3, с.72-76.

6. Schitov A.M. "1.5- 40 GHz Multifunctional Microwave Sampling Converter". - 13th European Frequency and Time Forum, 1999, Besancon, France.

7. Магистрально-модульные измерительные системы на базе шины VXI. - Каталог ННИПИ «Кварц», H. Новгород.

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 18, 2010.

-4-

Z.N. Mirzaev, А.М. Shitov, A.R. Tagilaev

Mulnifunctional frequency convertes

Results of development of multifunctional complicated microwave devices with frequency conversion are presented. These multifunctional complicated microwave devices are new key components for construction of modern radioelectronic equipment in cm- and mm-wave ranges. Keywords: multipliers, microwawe- devices, complicated devices, hagt multiplication factor, microassembly.

Мирзаев Зайнудин Нурмагомедович (р. 1973) старший преподаватель кафедры радиотехники и телекоммуникаций Дагестанского государственного технического университета

Область научных интересов: СВЧ - устройства и антенны Количество публикаций - 14

Щитов Аркадий Максимович

Область научных интересов: Разработка СВЧ- и КВЧ-устройств с преобразованием частоты.

Количество публикаций - 64

Тагилаев Азмудин Рамазанович (р. 1959) профессор кафедры радиотехники и

телекоммуникаций Дагестанского государственного технического университета доктор

технических наук

Область научных интересов: СВЧ устройства и антенны

Количество публикаций - 80