Широкополосный балансный удвоитель частоты миллиметрового диапазона (26-40ггц)

УДК 621.385.6

ШИРОКОПОЛОСНЫЙ БАЛАНСНЫЙ УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА

З.Н. Мирзаев, А.М. Щитов, М.С. Гусейнов

Представлены результаты разработки и экспериментального исследования широкополосного удвоителя частоты диапазона частот 26-40 ГГц. Рассмотрены особенности конструкции умножителя. Проанализированы технические характеристики. Удвоитель частоты предназначен для использования в качестве второй ступени умножения частоты для создания широкополосного источника СВЧ - сигналов в диапазоне частот 75-110 ГГц

Ключевые слова: удвоитель частоты, конструкция, копланарный, щелевой, широкополосность, фазовращатель

Умножители частоты являются на сегодняшний день наиболее эффективными, малогабаритными и дешевыми устройствами формирования сигналов в миллиметровом диапазоне частот. Условия и особенности применения умножителей частоты в современных анализаторах миллиметрового диапазона формулируют ряд общих требований к их характеристикам:

- максимальная широкополосность (перекрытие одной литерой всего стандартного волноводного диапазона);

- выходная мощность - порядка единиц милливатт (минимальные потери);

- равномерность выходной мощности не хуже ± 1.5; 2 дБ;

- подавление побочных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала - не менее 20-25 дБ;

- работа в диапазоне входных сигналов от 10 до 20 ГГц с мощностью 30-100 мВт;

- простота в эксплуатации и ряд других требований.

Требования к характеристикам умножителей, анализ известных схем и конструкций однозначно определяют их структурную реализацию и возможную элементную базу - это должны быть балансные умножители на варактор-ных диодах с барьером Шоттки.

Наибольшее распространение как удвоитель частоты получила СВЧ схема двухполупе-риодного выпрямителя (рис.1). [1]

Мирзаев Зайнудин Нурмагомедович - Дагестанский государственный технический университет, ст. преподаватель, e-mail: zainu73@mail.ru

Щитов Аркадий Максимович - ННИПИ «Кварц», д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник, e-mail- schitoff@mail.ru Гусейнов Мурад Саидович - Дагестанский государственный технический университет, канд. техн. наук, доцент, тел. (+78722) 67-06-44

Рис.1. Эквивалентная схема удвоителя частоты

Появление систем автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронных устройств СВЧ (например, Microwave Office или Serenade) позволяет решить задачу анализа нелинейных схем. Для этого поскольку в последних версиях пакетов данных САПР используются такие мощные методы нелинейного анализа, как метод гармонического баланса и метод рядов Вольтерра, основанные на разбиении схемы умножителя на линейную и нелинейную части и описании данных частей различным образом.

При использовании метода гармонического баланса линейные уравнения, описывающие линейную часть устройства, решаются в частотной области, а нелинейные уравнения, описывающие нелинейную часть, решаются во временной области, результаты решений во временной и частотной областях связываются с помощью преобразований Фурье. Достоинства такого подхода очевидны - например, цепи с распределенными параметрами моделируются и анализируются более естественными методами расчета линейных схем в частотной области. Таким образом, использование метода гармонического баланса для расчета балансных умножителей частоты достаточно оправдано.

В данной работе выполняется расчет удвоителя частоты с целью оптимизации параметров диодов и конструктивных элементов схемы для обеспечения максимального КПД в задан-

ном диапазоне частот. Исследуются методы измерения импеданса и оптимального согласования НЭ в широком диапазоне частот.

Анализ известных практических реализаций широкополосных умножителей миллиметрового диапазона позволил выделить некоторые общие принципы выбора оптимальных конструкций:

- ортогональность полей входного и выходного сигналов (при возможности);

- простота реализации фильтров и согласующих цепей;

- максимально простая и широкополосная связь умножительного узла с входным и выходным трактами;

- возможность и легкость настройки.

Нами предлагается оригинальная конструкция удвоителя частоты (рис.2), удовлетворяющая данным условиям

Конструктивно удвоитель частоты выполняется в виде комбинации двух линий передачи: входной - копланарного волновода и выходной - щелевой линии, имеющей плавный или ступенчатый переход на волноводный тракт (рис.2). Линии изготавливаются на тонкой диэлектрической подложке, размещенной в разрезе по центру широкой стенки волновода; диоды включены в плоскости соединения линий. Входной сигнал подается через коаксиально-полосковый переход. Со стороны входа «земляные» обкладки копланарного волновода замкнуты перемычкой на расстоянии (Ь) от плоскости включения диодов, образуя отрезок линии четвертьволновой длины на средней частоте выходного сигнала. Короткозамкнутый отрезок, благодаря шунтирующему действию, уменьшает уровень 4-й гармоники в спектре выходного сигнала, так как составляет для нее половину длины волны.

Фильтрация 1-й гармоники, помимо баланса схемы, осуществляется выходным волноводным трактом, так как для нее волновод является запредельным. С целью достижения минимума потерь преобразования в заданном динамическом диапазоне входных сигналов используют цепи внешнего смещения или внутреннего самосмещения.

До сих пор в литературе нет детального теоретического анализа и методики расчета основных характеристик умножителя частоты: потерь преобразования, входного и выходного импеданса, необходимых для оптимального проектирования устройства.

Для определения реальных значений характеристик умножителя проведем анализ схемы методом гармонического баланса, позволяющего получить расчетные значения параметров данной конструкции.

Предложенная конструкция умножителя исследована с помощью программы моделирования СВЧ устройств Microwave Office и получены результаты, которые позволяют оптимизировать параметры конструкции удвоителя частоты. При этом расчет умножителя частоты (рис. 3) был выполнен в диапазоне 26-40,0 ГГц (по выходу) при уровне входного сигнала 30мВт. В качестве материала для подложки был выбран МБСФ толщиной - 0,3 мм и диэлектрической проницаемостью 2,3. В процессе расчета производился оптимальный выбор основных конструктивно-топологических элементов:

длины и ширины щелевого резонатора и отрезков МПЛ, параметров копланарной линии. Из за отсутствия в программе Microwave Office электродинамической модели щелевого резонатора при расчете он был представлен в виде комбинации отрезков МПЛ, на выходы которых подключается фазовращатель с фазовым сдвигом 180 градусов.

Рис. 3. Схема удвоителя частоты

В результате расчета удвоителя были получены следующие характеристики:

- равномерность выходной мощности -

1дБ;

- потери преобразования не более - 10дБ;

- подавление побочных гармонических составляющих на выходе умножителя во всем диапазоне при неидентичности параметров диодов порядка 10% составляют: первая гармоника - 35 дБ, третья гармоника - 40дБ, четвертая гармоника - 30дБ

а- подавление гармоник входного сигнала на выходе

б- выходная мощность

Рис.4. Расчетные характеристики удвоителя частоты 26-40 ГГц

На основе расчетов удвоителя частоты диапазона 26-40,0 ГГц, полученных с помощью программы Microwave Office и конструкции удвоителя (рис. 2), на производственно-

технологической базе Нижегородского научноисследовательского приборостроительного института «Кварц». был изготовлен и исследован удвоитель частоты в сечении волновода WR28 с выходным фланцем UG-599/U на диэлектрической подложке

В качестве нелинейных элементов использованы серийно выпускаемые умножи-тельные диоды с барьером Шотки (ДБШ

3А643). Для реализации режима автосмещения выводы диодов к «земляным» обкладкам подключены через блокировочные конденсаторы (С~70 пФ) и резисторы (С6-9-50 Ом). Ширина выходной щелевой линии составляет минимальную технологически реализуемую величину порядка 30 мкм, что соответствует волновому сопротивлению порядка 50-70 Ом. Переход с щелевой линии на волновод рассчитан и выполнен в соответствии с результатами работы [2]. Входная линия выполнена 50-омной. Для

согласования на расстоянии ¿і = 4 от плоскости включения диодов установлена полико-ровая пластина размерами около 2x2x0,025 мм с верхней металлизированной поверхностью, создающая отрезок пониженного волнового сопротивления. Экспериментальные характеристики выходной мощности удвоителя при разных уровнях входной мощности приведены на рис.5.

45 40 Подавление гармоник \Ґ

35 V

£ 30 1 1 ^^І'гармоника ^^З'гармонина —і_= 4-га рмо н ика

25

10 20 30 40 50 60 F, ГГц 70 S0 90

а- подавление гармоник входного сигнала на выходе

б- выходная мощность

Рис. 5. Экспериментальные характеристики удвоителя частоты 26-40 ГГ ц

Из рис.5 видно, что потери преобразования не превышают 12 дБ при неравномерности не более ±1,0 дБ во всем рабочей диапазоне частот и широком динамическом диапазоне уровней входного сигнала 30-100 мВт.

Подавление побочных гармонических составляющих (1, 3, 4, гармоник входного сигнала) на выходе относительно уровня 2-й гармоники не менее 30дБ, КСВН входа/выхода не более 2.

Полученная разница между результатами моделирования (рис. 4) и экспериментальными (рис. 5) составляет не более 5%.

Рассмотренный умножитель частоты является частью разрабатываемых многофункциональных комплексированных микросборок -новой узловой элементной базы СВЧ, применение которого позволяет более компактно, с ми-

нимальными затратами и на более высоком научно-техническом уровне решать широкий круг задач при построении РЭА СВЧ.

Литература

1. Nguen С.А. 35% Bandwidth Q-to-W-Band Frequency Doubler// Microwave Journal, N9, 1997.

2. Стародубровский Р.К., Синезубова Н.И. Расчет фазовой постоянной и волнового сопротивления волноводно-щелевой линии передачи и ее вариантов // Техника средств связи. Сер.РИТ. 1986, выи.2, с.12-21

Дагестанский государственный технический университет ФГУП ННИПИ «Кварц», Нижний Новгород

BROADBAND BALANSE MILLIMETR RANGE FREQUENCY DOUBLER

Z.N. Mirzaev, A.M. Schitov, M.S. Guseinov

The results of development and investigation of broadband frequency doubler with the range of frequency 26-40 GHz are presented. The features of the multiplier design are concerned. Technical specifications are analyzed. Frequency doubler designed for use as a second stage frequency multiplication to generate broadband microwave source - signals with frequency range 75-110 GHz

Key words: frequency doubler, design, coplanar, slot, broadband, phase shifter