СМЕСИТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE MIXER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к радиотехнике, конкретнее к устройствам преобразования сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в сигналы промежуточной частоты, и может быть использовано в приемопередающей и измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Наиболее широкое распространение получили смесители, выполненные с использованием в качестве преобразующих активных элементов полупроводниковых диодов. Так известен кольцевой смеситель СВЧ, содержащий диэлектрическую подложку, на которой размещены два отрезка щелевых линий передачи, являющиеся входами сигналов ВЧ и гетеродина, поступающих с коаксиальных кабелей, согласующие трансформаторы в виде плавных переходов от щелевой линии передачи к планарной двухпроводной линии, и кольцевой диодный мост, к диагоналям которого подключены вторые концы планарных двухпроводных линий (см. патент на изобретение SU 1169175, МПК H04B 1/26, опубл. 23.07.1985 г.). Сигнал промежуточной частоты снимается с обеих диагоналей кольцевого моста через фильтр промежуточной частоты. Симметрия используемых в схеме трансформаторов и диодов обеспечивает взаимную развязку входов сигнала, гетеродина и выхода смесителя. Применение микрополосковой технологии изготовления обеспечивает малые габариты устройства.
Недостатком известного смесителя является высокий уровень побочных продуктов преобразования, что обусловлено использованием диодов, характеризующихся несогласованностью нагрузки в широком диапазоне частот и наличием обратного преобразования.
Известен кольцевой преобразователь частоты, выполненный на биполярных транзисторах разного типа проводимости, соединенных по схеме кольцевого моста (см. патент на изобретение SU №1587616, МПК H03D 7/12, опубл. 23.08.1990 г.). На входе и выходе кольцевого моста размещены дифференциальные трансформаторы, выполненные на катушках индуктивности. Недостатком известного преобразователя является невозможность реализации на СВЧ.
В качестве наиболее близкого аналога для заявляемого технического решения выбран двойной балансный смеситель СВЧ на полевых транзисторах (см. патент на изобретение US 4603435, МПК H04B 1/26, опубл. 29.07.86 г). Устройство смесителя включает диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены микрополосковые проводники, являющиеся входами высокочастотного сигнала и гетеродина, сообщенные с направленным ответвителем Ланге, четыре полевых транзистора, соединенные по двубалансной схеме, и выходной тракт с усилителем мощности промежуточной частоты. Использование полевых транзисторов, имеющих по сравнению с диодами большую линейность, позволяет значительно снизить уровень побочных продуктов преобразования.
Основным 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 выходной каскад МШУ, являющийся источником информационного сигнала.
Другим недостатком являются высокие требования к соблюдению симметрии и равенства балансных плеч схемы и, как следствие, высокие требования точности выполнения рисунка топологии и необходимость применения полупроводниковых элементов с идентичными характеристиками, что возможно только в партии одновременно изготавливаемых изделий. Использование же отдельных транзисторов, заведомо имеющих между собой разброс высокочастотных характеристик, усложняет выполнение согласующих цепей.
Раскрытие изобретения
Задачей заявляемого изобретения является устранение упомянутых выше недостатков и разработка устройства смесителя СВЧ на базе полевых транзисторов, имеющего высокую степень развязки между входами сигнала и гетеродина и простоту технологической реализации.
Поставленная задача решена за счет того, что в смесителе, содержащем диэлектрическую подложку, на одной стороне которой размещены две микрополосковые линии, являющиеся входами трактов сигнала ВЧ и гетеродина, схему преобразования, выполненную на четырех полевых транзисторах и тракт промежуточной частоты, согласно заявляемому изобретению, полевые транзисторы включены по кольцевой схеме с возможностью работы в режиме управляемых сопротивлений, причем упомянутая схема реализована на одном кристалле, каждый из трактов сигнала ВЧ и гетеродина содержит щелевую линию, выполненную в металлизации на противоположной стороне диэлектрической подложки, ортогонально к соответствующей микрополосковой линии, щелевые линии трактов расположены соосно, один конец щелевых линий закорочен и образует четвертьволновой шлейфный переход с микрополосковой линией, а другой является входом схемы преобразования, при этом в щелевую линию каждого тракта, параллельно упомянутому входу, со стороны каждого ее проводника введены короткозамкнутые отрезки щелевых линий, выполненные с длиной, равной ¼ длины волны гетеродина - в тракте гетеродина и ¼ длины волны сигнала ВЧ - в тракте сигнала.
Одним положительным техническим результатом заявляемого изобретения является повышение развязки между входами сигнала высокой частоты и гетеродина.
Другим положительным результатом заявляемого изобретения стало снижение требований к точности выполнения топологического рисунка, что позволило упростить процесс изготовления устройства.
Как и в прототипе, в качестве активных преобразующих элементов в схеме преобразования (смешения частот) использованы полевые транзисторы, отличающиеся большой линейностью, и как следствие, низким уровнем побочных продуктов преобразования.
В заявляемом устройстве полевые транзисторы включены по кольцевой схеме и работают в режиме управляемых сопротивлений. Использование кольцевой схемы соединения полевых транзисторов, в отличие от двубалансной схемы прототипа, позволяет существенно снизить требования к симметрии входных плеч схемы, а значит, к точности выполнения топологического рисунка и идентичности параметров используемых транзисторов. Даже при несимметричном возбуждении плеч моста кольцевая схема позволяет получить на выходе лучшее подавление побочных каналов преобразования по отношению к балансной схеме.
Входной информационный сигнал ВЧ подводится к одной диагонали кольцевого моста, сигнал гетеродина - к средним точкам диагоналей моста. Промежуточная частота снимается со второй диагонали кольцевого моста через согласующий трансформатор сопротивлений.
Еще одним отличием от прототипа, в котором использованы отдельные транзисторы, заведомо имеющие между собой разброс высокочастотных характеристик, является выполнение схемы преобразования, т.е. собственно схемы смесителя, на едином кристалле в виде одной интегральной микросхемы. Это позволило добиться максимально возможного совпадения параметров полевых транзисторов и практически исключить влияние разбросов их параметров на электрические характеристики смесителя.
Однако выполнение схемы на одном кристалле привело к необходимости расположения входных трактов сигнала и гетеродина на одной линии, благодаря чему возникла вероятность взаимного шунтирования трактов по земляной поверхности платы. Исключить указанную вероятность и обеспечить высокую взаимную развязку входов сигнала ВЧ и гетеродина позволила заявляемая оригинальная топология смесителя.
Каждый из трактов сигнала ВЧ и гетеродина в заявляемом смесителе включает микрополосковую линию, являющуюся входом соответствующего сигнала, и ортогонально расположенную к ней щелевую линию, выполненную в металлизации на противоположной стороне подложки. Между микрополосковой и щелевой линиями образован четвертьволновой шлейфный переход, обеспечивающий возможность распространения сигналов СВЧ из микрополосковой линии в щелевую и выполняющий функции симметрирующего трансформатора. Щелевые линии трактов расположены соосно, что обеспечивает подачу сигналов ВЧ и гетеродина на входы микросхемы преобразования.
Для предотвращения взаимного шунтирования щелевых линий «земляной» поверхностью платы и исключения прохождения подаваемых на схему сигналов в противолежащую щелевую линию в каждом тракте введено по два короткозамкнутых отрезка щелевых линий, имеющих длину, равную четверти длины волны соответствующего сигнала, т.е. ¼ длины волны гетеродина - в тракте гетеродина и 1/4 длины волны сигнала ВЧ - в тракте сигнала. Короткозамкнутые щелевые отрезки расположены симметрично относительно основной щелевой линии тракта и подключены параллельно к входу этой щелевой линии в микросхему, т.е. образуют два параллельных плеча.
Короткозамкнутый четвертьволновой отрезок щелевой линии эквивалентен параллельному резонансному контуру. На входе такого контура образуется высокое входное сопротивление, которое стремится к бесконечности, что препятствует дальнейшему распространению сигнала и способствует тому, что вся мощность сигнала прикладывается к относительно низкоомному входу микросхемы смесителя. Таким образом, со стороны каждого проводника щелевой линии, т.е. со стороны металлических поверхностей платы, расположенных по сторонам относительно щелевой линии, и в тракте сигнала, и в тракте гетеродина организованы участки высокого сопротивления, что обеспечивает высокую изоляцию входов сигнала ВЧ и гетеродина. Такая развязка входов позволяет сократить потери мощности сигналов и снизить уровень побочных продуктов преобразования, за счет чего повысить полезный выход устройства, а также исключить влияние сигнала гетеродина на выходе малошумящего усилителя при использовании смесителя в различных приемопередающих устройствах.
Для согласования сигналов ВЧ и гетеродина щелевые линии трактов от точки перехода из микрополосковой линии в щелевую (иначе, от точки возбуждения щелевой линии микрополосковой) до входа микросхемы выполняются длиной, равной ¼ длины соответствующего сигнала. По сути, на входах микросхемы в каждом тракте сформирован четвертьволновой согласующий трансформатор. Волновое сопротивление каждой щелевой линии, определяющее ее ширину, рассчитывается известными способами для каждого конкретного случая исполнения.
Для компенсации неточностей выполнения щелевых линий и разбросов параметров используемых микросхем в схему смесителя введены корректирующие емкостные площадки, выполненные в виде металлических прямоугольников. Каждую площадку перемещают вдоль соответствующей щелевой линии с противоположной, неметаллизированной, стороны диэлектрической подложки (платы) на участке между точкой возбуждения щелевой линии и микросхемой. Перемещением емкостных площадок обеспечивают изменение параметров щелевых линий, их волнового сопротивления, что позволяет скорректировать неточности изготовления щелевых линий при настройке устройства и добиться компенсации паразитных входных реактивностей микросхемы.
Наличие таких емкостных площадок позволяет снизить требования к точности выполнения рисунка топологии смесителя и обеспечить настройку устройства под каждую используемую микросхему, которые, как известно, имеют разброс параметров.
Короткозамкнутые отрезки щелевых линий могут быть выполнены как прямолинейными, так и изогнутой формы (см. пример ниже), что может быть обусловлено конкретными расчетными параметрами щелевых линий или соображениями более компактного размещения элементов устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема заявляемого смесителя;
на фиг.2 - топологический чертеж предлагаемого устройства;
на фиг.3 - сечение А-А с фиг.2;
на фиг.4 показано устройство заявляемого смесителя в сборе, вид на металлизированную сторону диэлектрической подложки;
на фиг.5 - то же, вид на неметаллизированную сторону диэлектрической подложки.
Осуществление изобретения
Заявляемый смеситель СВЧ диапазона относится к кольцевым балансным смесителям. Смеситель включает (см. фиг.1) схему преобразования 1, выполненную по кольцевой схеме на полевых транзисторах, работающих в режиме управляемых сопротивлений, тракт сигнала ВЧ (высокой частоты), состоящий из микрополосковой линии (МПЛ) 2 и ортогонально расположенной к нему щелевой линии (ЩЛ) 3, и тракт гетеродина, состоящий из микрополосковой линии (МПЛ) 4 и ортогонально расположенной к нему щелевой линии (ЩЛ) 5.
МПЛ 2 и 4 оканчиваются четвертьволновым разомкнутым шлейфом, а щелевые линии 3 и 5 - короткозамкнутым четвертьволновым шлейфом. Переходы от микрополосковой линии к щелевой выполняют функции симметрирующих трансформаторов, размещенных на входе трактов сигнала ВЧ и гетеродина. Открытые концы щелевых линий 3 и 5 обеспечивают подачу сигналов на схему преобразования 1, причем сигнал ВЧ подается на одну диагональ кольцевого моста, сигнал гетеродина - к средним точкам диагоналей, а выходной сигнал промежуточной частоты снимается со второй диагонали моста схемы 1 через трансформатор сопротивлений 6.
Схема 1 смесителя выполнена на одном кристалле в виде одной микросхемы с выводами RF (сигнала ВЧ) и LO (сигнала гетеродина) и IF (сигнала промежуточной частоты). Подобные микросхемы в настоящее время выпускаются различными промышленными предприятиями. В конкретном случае осуществления изобретения, при изготовлении опытного образца была использована промышленно выпускаемая схема РЕ4140, однако это не ограничивает возможности применения других схем.
сиг
гет
На фиг.2-5 показана топология заявляемого смесителя. Все элементы смесителя размещены на диэлектрической подложке 7, на неметаллизированной стороне 8 которой размещены (см. фиг.2, 3, 5) микрополосковые проводники 2 и 4 и трансформатор сопротивлений 6, а на второй, металлизированной, стороне 9 (см. фиг.2-4) выполнены соосные щелевые линии 3 и 5 трактов сигнала ВЧ и гетеродина и короткозамкнутые отрезки щелевых линий 10, 11, 12 и 13. Длина короткозамкнутых щелевых отрезков 10 и 11 в тракте сигнала составляет λ/4. Длина короткозамкнутых щелевых отрезков 12 и 13 в тракте гетеродина составляет λ/4. Открытые концы короткозамкнутых четвертьволновых отрезков подключены к выходам щелевых линий передачи 3 и 5 сигнала и гетеродина соответственно.
Смеситель работает следующим образом.
IF
RF
LO
Входной сигнал ВЧ подается в противофазе по МПЛ 2, возбуждает щелевую линию 3 и по ней подводится к входам RF микросхемы 1. Сигнал гетеродина в противофазе поступает на МПЛ 4, возбуждает щелевую линию 5 и по ней подводится к входам LO микросхемы 1. Результат преобразования - сигнал промежуточной частоты также снимается в противофазе с выхода IF микросхемы 1 с помощью сосредоточенного симметрирующего трансформатора 6. При этом обеспечивается оптимальное сложение токов IF вида F=F±F и происходит максимальное подавление других комбинационных составляющих.
Отрезки щелевых линий 10 и 11 обеспечивают высокое сопротивление на выходе ЩЛ 3 тракта сигнала, отрезки щелевых линий 12 и 13 обеспечивают высокое сопротивление на выходе ЩЛ 5 тракта гетеродина, т.к. волновое сопротивление на открытом конце четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа стремится к бесконечности. Это предотвращает взаимное шунтирование линий передач и способствует тому, что вся мощность сигналов ВЧ и гетеродина приложена к соответствующим входам микросхемы 1 смесителя.
Над щелевыми линиями 3 и 5 трактов сигнала и гетеродина на стороне 8 подложки 7 размещены емкостные площадки 14 и 15, место расположения которых может быть изменено в процессе настройки устройства.
При перемещении емкостных площадок 14 и 15 происходит изменение волнового сопротивления щелевых линий, что позволяет скомпенсировать входные реактивности микросхемы смесителя и неточности изготовления рисунка щелевых линий. После настройки положение площадок фиксируется.
Для согласования 50-омных трактов входного сигнала и сигнала гетеродина с 200-омными входами RF и LO микросхемы применены согласующие трансформаторы сопротивлений, выполненные в виде четвертьволновых участков щелевых линий 3 и 5 от точки (16, 17) возбуждения соответствующей ЩЛ до соответствующего входа в микросхему.