СМЕСИТЕЛЬ СВЧ
MICROWAVE MIXER

Изобретение относится к электронной технике СВЧ, а именно к смесителям, работающим в миллиметровом диапазоне длин волн.
Смеситель СВЧ служит для преобразования частоты, как правило, из высокочастотного диапазона в низкочастотный диапазон.
Основным условием преобразования частоты является наличие в смесителе СВЧ активных элементов с существенно нелинейной вольт-амперной характеристикой.
В последние годы приоритетным высокочастотным диапазоном является миллиметровый диапазон длин волн вследствие большой их разрешающей способности и особенно в коротковолновой ее части.
Известен смеситель миллиметрового диапазона длин волн, в котором в качестве активного элемента используется диод Ганна.
Диоды Ганна - это наиболее высокочастотные полупроводниковые приборы. Их конструкция хорошо согласуется с волноводными линиями передачи, что позволяет использовать их в смесителях миллиметрового диапазона длин волн [1].
Однако применение этих активных элементов приводит к самовозбуждению смесителей СВЧ, вызванному тем, что:
во-первых, диод Ганна выполнен на однородном полупроводниковом материале,
во-вторых, в диоде Ганна наблюдается наличие сгустка электронов - доменов, управление которыми затруднено. Самовозбуждение может быть снято лишь путем усложнения схемы смесителя СВЧ.
Известен смеситель СВЧ, содержащий коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода, один конец которого служит для входного сигнала, другой - входа сигнала от гетеродина, коаксиальная линия передачи - вывода преобразованной частоты, изолирующую подложку, на одной стороне которой выполнено металлизированное покрытие, на другой - гибридная интегральная схема с активным элементом, последний выполнен на диоде с барьером Шотки, изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, и низкочастотный фильтр, выход которого соединен с коаксиальной линией передачи [2] - прототип.
Поскольку в диодах с барьером Шотки используется неоднородный полупроводниковый материал, то в таких смесителях СВЧ, в отличие от аналога, отсутствует самовозбуждение.
Кроме того, барьер Шотки позволяет уменьшить коэффициент шума, поскольку у диодов с барьером Шотки отсутствует обратная диффузия инжектированных носителей, дающая дополнительную компоненту дробового шума.
Недостатком смесителя СВЧ на диоде с барьером Шотки являются большие потери на преобразование частоты.
Так, например, при мощности гетеродина 40 мВт мощность выходного сигнала, сдвинутого по частоте, составляет порядка 1 мВт. Это соответствует потерям преобразования по СВЧ мощности 16 дБ, поэтому для компенсации таких потерь требуется дополнительный усилитель.
Другим недостатком смесителей СВЧ на диодах является их неудовлетворительные спектральные характеристики. Типичный смеситель СВЧ обеспечивает во всех условиях эксплуатации подавление гетеродинного сигнала не более чем на 20 дБ. При этом мощность гетеродина на выходе составит 0,4 мВт при мощности гетеродина на входе 40 мВт. Мощность полезного сигнала, как уже было сказано, составляет 1 мВт.
Таким образом, отношение полезной спектральной компоненты к мощности гетеродина на выходе составит 4 дБ.
Кроме того, при малой преобразованной частоте могут быть проблемы с разделением сигналов по частоте на выходе смесителя СВЧ.
Техническим результатом является расширение рабочего диапазона частот, в том числе включая крайне высокие, снижение потерь преобразования частоты и уменьшение массо-габаритных характеристик смесителя СВЧ.
Технический результат достигается тем, что в смесителе СВЧ, содержащем коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода, один конец которого служит для входного сигнала, другой - входа сигнала от гетеродина, коаксиальная линия передачи - вывода преобразованной частоты, изолирующую подложку, на одной стороне которой выполнено металлизированное покрытие, на другой - интегральная схема с активным элементом, изолирующая подложка размещена вдоль отрезка прямоугольного волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, и низкочастотный фильтр, выход которого соединен с коаксиальной линией передачи.
В смесителе:
III
V
- изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AB,
- металлизированное покрытие на упомянутой стороне изолирующей подложки выполнено локально,
- при этом неметаллизированная ее часть выполнена в виде плавных переходов с противоположных концов изолирующей подложки, каждый длиной, равной четверти длины волны, при этом одни концы плавных переходов непосредственно примыкают к соответствующим противоположным концам изолирующей подложки и выполнены каждый шириной, равной узкой стенке волновода, противоположные их концы выполнены каждый шириной одной восьмой части ширины изолирующей подложки,
- на другой стороне изолирующей подложки с обоих противоположных ее концов дополнительно выполнены Г-образные металлические проводники, расположенные каждый под прямым углом к соответствующим противоположным концам упомянутых неметаллизированных плавных переходов, каждый на заданном расстоянии от противоположного их конца, и формирующие при этом каждый полосково-щелевой переход,
- при этом интегральная схема с активным элементом, низкочастотный фильтр и Г-образные металлические проводники выполнены в виде монолитной интегральной схемы,
- активный элемент монолитной интегральной схемы выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки (ПТШ),
- один из Г-образных металлических проводников предназначен для входного сигнала посредством соединения его с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, другой - сигнала от гетеродина посредством соединения со стоком, последний одновременно соединен с входом низкочастотного фильтра, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен,
- при этом размер Г-образных металлических проводников и заданное расстояние области их пересечения с соответствующими противоположными концами неметаллизированных плавных переходов определяется минимальной величиной модуля коэффициента отражения на концах отрезка прямоугольного волновода.
Раскрытие сущности изобретения
Каждый существенный признак заявленного смесителя СВЧ и их совокупность обеспечит, а именно:
III
V
выполнение изолирующей подложки из полупроводникового материала типа AB позволяет выполнять интегральную схему в виде монолитной интегральной схемы, на которой все элементы выполнены в планарном виде и тем самым обеспечивается:
во-первых, снижение потерь преобразования частоты вследствие
а) уменьшения длины соединительных проводников монолитной интегральной схемы и
б) монокристаллического состояния изолирующей подложки, которое позволяет выполнять ее малой толщиной, тем самым обеспечивается возможность максимально приблизить неметаллизированные переходы к Г-образным металлическим проводникам, и тем самым локализовать в малой области электромагнитное поле СВЧ, и тем самым улучшить свойства перехода с одной стороны изолирующей подложки на другую ее сторону;
во-вторых, уменьшение массо-габаритных характеристик.
Выполнение металлизированного покрытия на упомянутой стороне изолирующей подложки локально и в совокупности, когда неметаллизированная ее часть выполнена в виде плавных переходов указанным образом и в совокупности с наличием на другой стороне изолирующей подложки в составе монолитной интегральной схемы Г-образных металлических проводников, выполненных и соединенных с другими элементами указанным образом, обеспечивает:
во-первых, плавные переходы распространяющихся электромагнитных волн входного сигнала и сигнала гетеродина в отрезке прямоугольного волновода к монолитной интегральной схеме и тем самым уменьшение отражения этих сигналов на концах отрезка прямоугольного волновода и как следствие - снижение потерь преобразования частоты;
во-вторых, формирование между неметаллизированными переходами и Г-образными металлическими проводниками так называемых полосково-щелевых переходов, тем самым обеспечивается уменьшение размеров монолитной интегральной схемы и как следствие - уменьшение массо-габаритных характеристик.
Выполнение интегральной схемы с активным элементом, низкочастотного фильтра и Г-образных металлических проводников в виде монолитной интегральной схемы и при этом в совокупности, когда активный элемент монолитной интегральной схемы выполнен в виде полевого транзистора с барьером Шотки, обеспечивает:
во-первых, вследствие того что ПТШ работает и в миллиметровом диапазоне длин волн - расширение рабочего диапазона частот смесителя СВЧ, в том числе включая крайне высокие;
во-вторых, снижение потерь преобразования частоты, вследствие того что:
а) ПТШ имеет меньший коэффициент шума,
б) в смесителях СВЧ, выполненных на ПТШ, выходная мощность больше, чем в смесителях СВЧ на диодах,
в) вся мощность гетеродина поступает на ПТШ, тем самым обеспечивается возможность использования гетеродина меньшей мощности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1а дан общий вид заявленного смесителя СВЧ, на фиг.1б - топология монолитной интегральной схемы, где:
- коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода - 1,
- изолирующая подложка - 2,
- локальное металлизированное покрытие - 3 на одной стороне изолирующей подложки,
- плавные переходы - 4 неметаллизированной части изолирующей подложки,
- монолитная интегральная схема - 5 с ее элементами (активным элементом ПТШ, низкочастотным фильтром НФ и Г-образными металлическими проводниками МП).
На фиг.2 дана его электрическая схема.
На фиг.3 дана зависимость потерь преобразования от рабочей частоты.
Пример конкретного выполнения заявленного смесителя СВЧ.
Коаксиально-волноводный тройник 1 выполнен в виде отрезка прямоугольного волновода с размером широкой стенки, равной 7 мм, и узкой стенки 3,5 мм, длиной 10 мм, внешний диаметр коаксиальной линии передачи 5,6 мм.
Один конец его служит для входного сигнала, другой - входа сигнала от гетеродина, коаксиальная линия передачи - вывода преобразованной частоты.
III
V
Изолирующая подложка 2 выполнена из полупроводникового материала типа AB, арсенида галлия, толщиной 100 мкм, длиной 10 мм, шириной 3,5 мм.
Металлизированное покрытие 3 выполнено на одной стороне изолирующей подложки 2 локально из золота толщиной 3 мкм методом тонкопленочной технологии.
Неметаллизированная ее часть выполнена в виде плавных переходов 4 с противоположных концов изолирующей подложки 2, каждый длиной, равной четверти длины волны, при этом одни концы плавных переходов непосредственно примыкают к соответствующим противоположным концам изолирующей подложки и выполнены каждый шириной, равной узкой стенке волновода - 3,5 мм, противоположные их концы выполнены каждый шириной одной восьмой части ширины изолирующей подложки, примерно 0,45 мм.
На другой стороне изолирующей подложки 2 выполнена монолитная интегральная схема 5 по классической технологии изготовления монолитных интегральных схем, содержащая следующие элементы:
- активный элемент полевой транзистор с барьером Шотки, с шириной затвора, равной 300 мкм, и длиной затвора 0,3 мкм;
- Г-образные металлические проводники, выполнены с обоих противоположных концов изолирующей подложки 2, расположены каждый под прямым углом к соответствующим противоположным концам неметаллизированных плавных переходов 4 каждый на расстоянии, определенном указанным в формуле изобретения образом и равном одной четвертой части его длины от противоположного их конца.
Один из Г-образных металлических проводников соединен с затвором полевого транзистора с барьером Шотки, другой - со стоком, последний одновременно соединен с входом низкочастотного фильтра, исток полевого транзистора с барьером Шотки заземлен.
Изолирующая подложка 2 с монолитной интегральной схемой 5 размещена вдоль отрезка прямоугольного волновода 1, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, при этом выход низкочастотного фильтра монолитной интегральной схемы 5 соединен с коаксиальной линией передачи.
Работа заявленного смесителя СВЧ.
c
c
г
г
c
г
Входной сигнал U(t) с частотой f и сигнал гетеродина U(t) с частотой f вводятся в отрезок прямоугольного волновода 1 с соответствующих сторон посредством плавных переходов 4, выполненных на одной стороне изолирующей подложки 2 и Г-образных металлических проводников, выполненных на другой стороне изолирующей подложки в составе монолитной интегральной схемы 5. Входной сигнал U(t) подается на затвор ПТШ монолитной интегральной схемы 5, а сигнал гетеродина U(t) - на его сток.
c
г
n
c
г
раз
раз
c
г
n
Таким образом, внутри структуры ПТШ монолитной интегральной схемы образуется суммарный сигнал U(t)=U(t)+U(t) сложной формы. Поскольку ПТШ имеет существенно нелинейные зависимости тока от напряжения I(U), которые можно аппроксимировать степенным рядом I(U)=SUM (a×U), то в спектре тока будут присутствовать многочисленные комбинационные составляющие сигнала с частотами f=m×f±k×f, где m, k - целые (отрицательные и положительные) числа. На выходе смесителя расположен низкочастотный фильтр, который выделяет сигнал U(t) с разностной частотой f=f-f и посредством отрезка коаксиальной линии передачи выводит его на выход смесителя СВЧ.
пр
На изготовленных образцах смесителя СВЧ были измерены зависимости от частоты потерь преобразования входного сигнала в сигнал разностной частоты К.
Результаты изображены на фиг.3.
Как видно из фиг.3, рабочий диапазон частот равен 10 ГГц, что в 1,5 раза больше, чем у прототипа, а потери преобразования во всем рабочем диапазоне частот не превышают 2,5 дБ, что на 1 дБ меньше, чем у прототипа.
Таким образом, заявленный смеситель СВЧ по сравнению с прототипом обеспечит:
- расширение рабочего диапазона частот, в том числе включая крайне высокие, в 1,5 раза,
- снижение потерь преобразования частоты на 1 дБ,
- уменьшение массо-габаритных характеристик.
Источники информации
1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. / Л.Г.Гасанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко. - М.: Радио и связь, 1988. С.115.
2. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. / Л.Г.Гасанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.А.Могильченко. - М.: Радио и связь, 1988. С.135 - прототип.