СМЕСИТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE MIXER

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к устройствам преобразования сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в сигналы промежуточной частоты, и может быть использовано в приемопередающей и измерительной аппаратуре.
Среди СВЧ-смесителей наиболее сложными в проектировании и изготовлении являются устройства с наложением диапазонов и многооктавным перекрытием по частоте входного СВЧ-сигнала, сигнала гетеродина и сигнала промежуточной частоты (ПЧ), которые при этом обеспечивают малые потери преобразования и высокую изоляцию каналов. Как правило, такие устройства выполняются в виде тройных балансных смесителей, что требует 8-ми идентичных смесительных диодов и, соответственно, высокого уровня мощности сигнала гетеродина. Так, например, известны модели тройных балансных смесителей типа TB0440LW1 фирмы Narda-MITEQ (США) и модель М50 фирмы МАСОМ (США).
Так же из уровня техники известен смеситель, описанный в патенте на изобретение RU 2479918, содержащий диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены две микрополосковые линии (МПЛ), являющиеся входами трактов сигнала СВЧ и гетеродина, на другой стороне в металлизации выполнены щелевые линии трактов, расположенные соосно друг другу и ортогонально к соответствующей МПЛ. Один конец щелевых линий закорочен, а другой является входом схемы преобразования. В щелевую линию каждого тракта параллельно ее входу в схему со стороны каждого проводника, введены короткозамкнутые отрезки щелевых линий, выполненные с длиной, равной  длины волны гетеродина - в тракте гетеродина и  длины волны сигнала - в тракте сигнала.
Недостатком данного технического решения является наличие многочисленных короткозамкнутых и разомкнутых отрезков линий в трактах входного СВЧ-сигнала и гетеродина, которые ограничивают рабочую полосу частот. Еще одним недостатком является наличие противофазного трансформатора в выходном тракте сигнала ПЧ, что препятствует прохождению сигнала постоянного тока. Это существенно ограничивает полосу пропускания сигнала ПЧ и исключает использование смесителя в режиме фазового детектора.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения по числу одинаковых признаков и достигаемому эффекту выбран двойной балансный смеситель СВЧ на полевых транзисторах, описанный в патенте на изобретение US 4603435. Устройство смесителя включает диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены микрополосковые проводники, являющиеся входами высокочастотного сигнала и гетеродина, соединенные с направленным ответвителем Ланге, схему преобразования на четырех полевых транзисторах, соединенных по двойной балансной схеме, и выходной тракт с усилителем мощности промежуточной частоты.
Недостатком упомянутого смесителя является недостаточная развязка между входами сигнала и гетеродина, что обусловлено использованием в качестве развязывающего устройства, направленного ответвителя Ланге. Недостаточная развязка между линиями передачи сигналов ведет к увеличению потерь преобразования и к повышенному влиянию сигнала гетеродина на входной каскад, являющийся источником информационного сигнала. Кроме того, наличие фильтров в тракте сигнала ПЧ ограничивает полосу пропускания выходного сигнала смесителя.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание СВЧ-смесителя с широкой полосой рабочих частот и перекрытием диапазонов входного СВЧ-сигнала, гетеродина и сигнала ПЧ, а также с обеспечением развязок всех каналов, но менее сложным в проектировании и изготовлении, по сравнению с конструкциями тройных балансных смесителей.
ср
гет
ср
гет
Сущность решения данной задачи заключается в том, что в заявляемом смесителе СВЧ, содержащем плату (металлизированная диэлектрическая подложка) направленного ответвителя Ланге, один из входов которого микрополосковой линией соединен с входом тракта СВЧ сигнала, плату делителя мощности, схему преобразования, выполненную на четырех нелинейных элементах, каждая пара из которых включена по балансной схеме, согласно изобретению плата направленного ответвителя Ланге установлена на дополнительно введенном основании в виде металлической пластины, на другой стороне которого установлена плата делителя мощности, второй вход ответвителя соединен микрополосковой линией с выходом тракта сигнала промежуточной частоты, а вход делителя мощности соединен микрополосковой линией с входом тракта сигнала гетеродина, выходы делителя мощности выполнены в виде емкостных разомкнутых шлейфов длиной λ. /4, возбуждающих ортогонально расположенные со стороны обратной металлизации платы делителя мощности щелевые резонаторы длиной λ/2, пересекающих их перпендикулярно, по середине их длины и выполняющих совместно с резонаторами функцию симметрирующих трансформаторов, схема преобразования выполнена в виде двух двухдиодных балансных, относительно сигнала гетеродина, схем, общие точки соединения диодов каждой схемы подключены к концам выходных линий ответвителя Ланге, выполненных в виде параллельно расположенных микрополосковых линий, а другие выводы каждой пары диодов подключены к противоположным сторонам соответствующих щелевых резонаторов, при этом выполнены пазы в металлической пластине и вырезы в обратной металлизации диэлектрической подложки платы ответвителя Ланге, соответствующие по форме резонаторам.
В вариантах исполнения устройства емкостные разомкнутые микрополосковые шлейфы имеют в плане ступенчато-трапециевидную форму, что улучшает согласование тракта гетеродина и приводит к более эффективному возбуждению щелевых резонаторов.
Концы щелевых резонаторов, формирующих противофазный сигнал гетеродина, выполнены заостренными, что приводит к расширению рабочей полосы сигнала гетеродина.
В платах ответвителя и делителя мощности в качестве диэлектрика выбран кварц со значением относительной диэлектрической проницаемости (ε=3,8), что смягчает требования к точности выполнения печатного рисунка, относительно материалов с более высоким значением ε.
Балочные выводы диодов со стороны щелевых резонаторов устанавливают на металлические подставки как можно ближе к краю резонатора, что приводит к повышению надежности устройства за счет уменьшения механической нагрузки на диоды.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 - эквивалентная схема заявляемого смесителя;
на фиг. 2 - вид смесителя со стороны платы ответвителя Ланге;
на фиг. 3 - вид смесителя со стороны платы делителя мощности;
на фиг. 4 - обратная металлизация платы делителя мощности;
на фиг. 5 - основание смесителя в виде металлической пластины;
на фиг. 6 - обратная металлизация платы ответвителя Ланге;
на фиг. 7 - расчетные и экспериментальные характеристики смесителя.
Смеситель включает направленный ответвитель Ланге 1, один из входов которого МПЛ 2 соединен с входом тракта СВЧ-сигнала, а второй вход ответвителя соединен МПЛ 3 с выходом тракта сигнала ПЧ, выходы ответвителя 1 подключены через параллельные симметричные МПЛ 4 и 5 к схемам преобразования 6 и 7, каждая из которых выполнена по двухдиодной балансной схеме относительно сигнала гетеродина на диодах 8-11 типа А-91147-3 и подключена общей точкой диодов к концам выходных МПЛ 4 и 5 ответвителя Ланге 1, другие выводы каждой пары диодов через симметрирующие трансформаторы 12 и 13 подключены к кольцевому равноплечему делителю мощности 14, вход которого соединен МПЛ 15 с входом тракта сигнала гетеродина (фиг. 1). Платы направленного ответвителя 16 и делителя мощности 17 устанавливаются с разных сторон на металлическую пластину 18 (основание), которая кроме функции контактного элемента выполняет еще и функцию несущего элемента конструкции, обеспечивая ее прочность (фиг. 2 и 3). Тракт гетеродина представляет из себя МПЛ 14, которая является входом делителя мощности 14, выходы которого выполнены в виде емкостных разомкнутых шлейфов 19 и 20 (фиг. 3), которые возбуждают ортогонально расположенные щелевые резонаторы 21 и 22 соответственно. Резонаторы 21 и 22 выполнены со стороны обратной металлизации 23 платы делителя мощности 17 (фиг. 4) и совместно с шлейфами 19 и 20 выполняют функцию симметрирующих трансформаторов 12 и 13. Диоды 8-11 в каждом канале подключены к разным сторонам щелевых резонаторов 21 и 22, по середине их длины. Для предотвращения замыкания резонаторов 21 и 22 в металлической пластине (основании) 16 (фиг. 5) выполнены пазы 24 и 25, а в обратной металлизации 26 платы ответвителя Ланге 16 - вырезы 27 и 28. Пазы 24 и 25 и вырезы 27 и 28 расположены соосно резонаторам 21 и 22 и повторяют проекцию их формы.
Микрополосковые шлейфы 19 и 20, выполненные в виде емкостного отрезка, имеют в плане ступенчато-трапециевидную форму, что улучшает согласование и приводит к более эффективному возбуждению щелевых резонаторов.
Концы щелевых резонаторов 21 и 22, формирующие противофазный сигнал гетеродина, выполнены заостренными, что приводит к расширению рабочей полосы сигнала гетеродина.
В платах (это диэлектрические подложки с размещенными на ней соответственно ответвителя Ланге 16 и делителя мощности 17) в качестве диэлектрика выбран кварц (ε=3,8), что смягчает требования к точности выполнения печатного рисунка по сравнению с материалами, имеющими большее значение относительной диэлектрической проницаемости (ε).
Балочные выводы диодов 8-11 со стороны щелевых резонаторов 21 и 22 устанавливают на металлические подставки 29-32 как можно ближе к краю резонаторов по середине их длины, что повышает надежность устройства за счет уменьшения механической нагрузки на диоды.
Принцип работы смесителя заключается в следующем.
ср
гет
Входной СВЧ-сигнал передается по МПЛ 2 на вход ответвителя Ланге 1 и разделяется на два канала с разностью фаз 90° и по МПЛ 4 и 5 поступает на входы схем преобразования 6 и 7. Сигнал гетеродина по МПЛ 15 поступает на вход равноплечего кольцевого делителя мощности 14, где делится на два синфазных канала, а далее с помощью разомкнутых шлейфов 19 и 20 (длиной λ/4) возбуждает симметрично расположенные относительно друг друга щелевые резонаторы 21 и 22 соответственно. Резонаторы формируют противофазный сигнал в полосе частот гетеродина. Диоды 8-11 ориентированы так, что в разных каналах они открываются сигналом гетеродина синфазно. Сигнал промежуточной частоты передается в каждом канале по МПЛ 4 и 5, поступает на выход ответвителя Ланге 1, где складываясь в фазе от двух схем преобразования 6 и 7 передается по МПЛ 3 на выход сигнала ПЧ.
Диапазон частот смесителя по входу гетеродина определяется диапазоном рабочих частот делителя мощности и симметрирующих трансформаторов, состоящих из емкостных шлейфов и щелевых резонаторов. Диапазон по входу СВЧ-сигнала и по выходу ПЧ определяется рабочей полосой ответвителя Ланге. В виду наличия двух схем преобразования, расположенных в разных каналах ответвителя, при определенном соотношении частот, если хоть один сигнал (входной или ПЧ) попадает в полосу ответвителя Ланге, то будет наблюдаться преобразование частоты, однако потери преобразования будут несколько хуже (на 3-4 дБ). При попадании в диапазон ответвителя Ланге и входного СВЧ-сигнала, и сигнала ПЧ потери преобразования минимальны за счет синфазного сложения продуктов преобразования в двух каналах ответвителя. Развязка каналов гетеродин-сигнал и гетеродин-ПЧ реализуется за счет баланса в смесителях, ортогональности полей сигнала и гетеродина в месте установки диодов, которая обеспечивается конструкцией, а также ослаблением сигнала при прохождении ответвителя Ланге. Развязка сигнал-ПЧ обеспечивается изоляцией входов ответвителя Ланге. Еще одной особенностью является идентичность с точки зрения конструкции входов СВЧ-сигнала и сигнала ПЧ.
Моделирование и опытное испытание образца смесителя показали следующие результаты (фиг. 7). На двух верхних диаграммах изображены зависимости потерь преобразования от частоты: диаграмма (фиг. 7а) получена при фиксированной частоте сигнала ПЧ, и по ней можно оценить рабочий диапазон частот входного СВЧ сигнала (7-37 ГГц), диаграмма (фиг. 7б) получена при фиксированной частоте гетеродина, что демонстрирует диапазон ПЧ (0-30 ГГц). Развязки каналов гетеродин-ПЧ (диаграмма фиг. 7в) и гетеродин-сигнал (диаграмма (фиг. 7г) составляют более 30 дБ в диапазоне частот от 1 до 40 ГГц.
Техническим результатом является расширение рабочих диапазонов частот входного СВЧ-сигнала, сигнала гетеродина и сигнала ПЧ с обеспечением режима работы на нулевой ПЧ, а также повышение изоляции трактов гетеродин-сигнал и гетеродин-ПЧ.