СВЧ смеситель

Предлагаемая полезная модель относится к технике СВЧ и может использоваться в различных радиотехнических системах, например, в СВЧ приемниках радиолокационных станций, а также в СВЧ измерительных установках.
Известен «СВЧ смеситель» [RU44877, опубликовано 27.03.2005, МПК Н01Р 1/00], который содержит первый входной волноводный фильтр, волноводную секцию с соосными отверстиями, второй входной волноводный фильтр, короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, выходную коаксиальную линию с фильтром нижних частот, единый центральный проводник, диод, разделительный конденсатор, резистор, проводник. Входные волноводные фильтры подключены к входам волноводной секции, которая выполнена с соосными отверстиями в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, а к другой широкой стенке подсоединена выходная коаксиальная линия с фильтром нижних частот, выполненные с единым центральным проводником. В разрыв единого центрального проводника включены последовательно соединенные диод, установленный в фильтре нижних частот, и разделительный конденсатор, к точке соединения которых подключен один вывод резистора, другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии. Проводник, находящийся в плоскости соосного отверстия, ближайшего к диоду, соединяет единый центральный проводник и корпус волноводной секции.
Такой СВЧ смеситель имеет высокий коэффициент передачи, однако для обеспечения этого требуется подавать на СВЧ диод большую мощность на второй волноводный вход: не менее 25…30 мВт. Кроме того высокий коэффициент передачи обеспечивается только в узкой полосе частот входного СВЧ сигнала (20…30 МГц). Это в значительной мере препятствует использованию такого смесителя в радиоаппаратуре.
2
2
1
Наиболее близким по технической сущности является «СВЧ смеситель» [RU 180101 опубликовано 04.06.2018 МПК Н01Р 1/00] который содержит первый и второй входные волноводные СВЧ фильтры, каждый из которых подключен к одному из входов волноводной секции с соосными отверстиями в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, а к другой широкой стенке подключена коаксиальная линия с фильтром нижних частот, выполненные с единым центральным проводником, а в разрыв единого центрального проводника последовательно включены диод и разделительный конденсатор, к точке соединения которых подсоединен один вывод резистора, другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии, длина которого равна четверти длины волны сигнала, поступающего через первый входной волноводный фильтр. Расстояние от оси единого центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и коаксиальной линии с фильтром нижних частот до выхода первого входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе второго входного сигнала. Расстояние от оси единого центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и коаксиальной линии с фильтром нижних частот до выхода второго входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе первого входного сигнала. В коаксиальной линии введен металлический диск, который установлен на едином центральном проводнике коаксиальной линии между выводом диода и точкой присоединения первого вывода резистора. Диаметр диска меньше внутреннего диаметра корпуса коаксиала, в связи с чем в этом месте образуется цилиндрический конденсатор. Расстояние от плоскости диска до вывода диода равно половине длины волны СВЧ сигнала на частоте f, поступающего с выхода второго входного волноводного фильтра на второй вход диодной секции. Этот сигнал складывается на диоде с сигналом на частоте f, отраженным от диска и, взаимодействуя с сигналом на частоте f поступающим с выхода первого входного волноводного фильтра, образует на выходе смесителя сигнал разностной частоты F.
1
2
1
2
2
2
2
2
Недостатком известного СВЧ смесителя является значительное уменьшение его коэффициента передачи в широкой полосе частот входных сигналов на частотах f и f. Это происходит потому, что после изменения частот сигналов f и f на обоих входах смесителя более ±(20…30)МГц фаза и амплитуда сигнала на частоте f, отраженного от диска, значительно изменяются вследствие емкостного характера импеданса диска в коаксиале. В связи с этим суммарная мощность сигнала на диоде на частотах f в широкой полосе Δf уменьшается, что влечет за собой уменьшение коэффициента передачи смесителя. Кроме того, для увеличения отраженной мощности в полосе Δf диск должен иметь достаточно большой диаметр, что приводит также к отражению от него значительной части мощности выходного сигнала смесителя на частоте F и также уменьшает коэффициент передачи смесителя.
Технической проблемой решаемой предлагаемой полезной моделью является создание СВЧ смесителя работающего в широкой полосе частот входных сигналов при высоком коэффициенте передачи.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в расширении полосы рабочих частот СВЧ смесителя при высоком коэффициенте передачи.
Сущность полезной модели состоит в том, что СВЧ смеситель содержит два входных волноводных фильтра, каждый из которых подключен к одному из входов волноводной секции с соосными отверстиями в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии, а к другой широкой стенке подсоединена коаксиальная линия с фильтром нижних частот, выполненные с единым центральным проводником, а в разрыв единого центрального проводника последовательно включены диод и разделительный конденсатор, к точке соединения которых подключен один вывод резистора, другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии, длина которого равна четверти длины волны сигнала, поступающего через первый входной волноводный фильтр, подключенный к первому входу волноводной секции, а второй входной волноводный фильтр подключен ко второму входу волноводной секции. Расстояние от оси единого центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и коаксиальной линии с фильтром нижних частот до выхода первого входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе второго входного сигнала, а расстояние от оси единого центрального проводника короткозамкнутого отрезка коаксиальной линии и коаксиальной линии с фильтром нижних частот до выхода второго входного волноводного фильтра равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе первого входного сигнала.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что дополнительно введены N отрезков коаксиальной линии с металлической стенкой на одном конце, где N целое число большее либо равное единице. Причем в каждой металлической стенке закреплен один конец металлического стержня, ось которого совпадает с осью отрезка коаксиальной линии. На другом конце металлического стержня перпендикулярно к его оси расположена круглая металлическая пластина, диаметр которой меньше диаметра внутреннего канала отрезка коаксиальной линии. Отрезки коаксиальной линии установлены на корпусе коаксиальной линии с фильтром нижних частот так, что их оси пересекаются с его единой образующей. В этом корпусе выполнены круглые отверстия с центрами в точках пересечения его единой образующей с осями отрезков коаксиальной линии, причем диаметр такого отверстия равен или больше диаметра круглой металлической пластины. Расстояния между осями отрезками коаксиальной линии равны четверти длины волны сигнала, поступающего с выхода второго волноводного фильтра, а расстояние от вывода диода до оси ближайшего к нему отрезка коаксиальной линии равно половине длины волны сигнала, поступающего с выхода второго волноводного фильтра.
На Фигуре представлена конструкция СВЧ смесителя.
СВЧ смеситель содержит первый входной волноводный фильтр (1), волноводную секцию (2) с соосными отверстиями (3), второй входной волноводный фильтр (4), короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии (5), коаксиальную линию (6) с фильтром нижних частот (7) и отверстиями (17), единый центральный проводник (8), диод (9), разделительный конденсатор (10), резистор (11) и фильтр (15) в состав которого входят N≥1 отрезков коаксиальной линии (12) с металлической стенкой (16) на одном конце, металлические стержни (13) и металлические пластины (14).
Входные волноводные фильтры (1) и (4) подключены к входам волноводной секции (2), которая выполнена с соосными отверстиями (3) в ее широких стенках. К одной широкой стенке подключен короткозамкнутый отрезок коаксиальной линии (5), а к другой широкой стенке подсоединена выходная коаксиальная линия (6) с фильтром нижних частот (7), выполненные с единым центральным проводником (8). Расстояние от оси единого центрального проводника (8) до выхода первого входного волноводного фильтра (1) равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе второго входного сигнала , а расстояние от оси единого центрального проводника (8) до выхода второго входного волноводного фильтра (4) равно нечетному числу четвертей длины волны в волноводе первого входного сигнала . В разрывы единого центрального проводника (8) включены последовательно соединенные диод (9), установленный в фильтре нижних частот (7) и разделительный конденсатор (10), к точке соединения которых подключен один вывод резистора (11), а другой вывод которого заземлен. Фильтр нижних частот (7) выполнен в виде разомкнутого отрезка коаксиальной линии, длина которого равна четверти длины волны сигнала, поступающего через первый входной волноводный фильтр (1) . N отрезков коаксиальной линии (12) с металлической стенкой (16) на одном конце (в данном варианте исполнения -четыре отрезка), установлены на коаксиальной линии (6). В каждой металлической стенке (16) закреплен один конец металлического стержня (13), ось которого совпадает с осью отрезка коаксиальной линии (12). На другом конце металлического стержня перпендикулярно к его оси расположена круглая металлическая пластина (14), диаметр которой меньше диаметра внутреннего канала отрезка коаксиальной линии (12). Отрезки коаксиальной линии (12) установлены на корпусе коаксиальной линии (6) так, что их оси пересекаются с его единой образующей. В корпусе коаксиальной линии (6) выполнены круглые отверстия (17) с центрами в точках пересечения его единой образующей с осями отрезков коаксиальной линии (12), причем диаметр такого отверстия равен или больше диаметра круглой металлической пластины (14). Расстояния между осями отрезков коаксиальной линии (12) равны четверти длины волны сигнала, поступающего с выхода второго входного волноводного фильтра (4), а расстояние от вывода диода (9) до оси ближайшего к нему отрезка коаксиальной линии (12) равно половине длины волны сигнала, поступающего с выхода второго волноводного фильтра (4).
Входные волноводные фильтры (1) и (4) можно выполнить, например, из запредельных волноводов, так как при том они имеют минимальные потери при высоком внеполосном подавлении. В качестве разделительного конденсатора (10) удобно использовать различного вида конструктивную емкость.
1
1
2
2
1
1
2
СВЧ смеситель работает следующим образом. На вход 1 СВЧ смесителя поступает первый СВЧ сигнал с частотой f и мощностью P, которая, как правило, имеет величину значительно меньшую 1 мВт, например сигнал, принятый антенной радиолокационной станции. На вход 2 подается второй СВЧ сигнал с частотой f и мощностью Р, которая должна быть больше мощности P. При этом должно выполняться неравенство f>f.
1
2
В диоде (9) происходит образование сигнала с разностной частотой F=f-f, который поступает на выход смесителя по коаксиальной линии (6).
2
2
1
2
2
2
2
2
2
1
2
2
Кроме него на выход смесителя проходит сигнал с частотой f в полосе Δf со значительной мощностью. Диод (9) является диодом с управляемой емкостью и за счет этого практически не потребляет энергию СВЧ сигналов на частотах f и f. Таким образом, на выходе коаксиальной линии (6) появляется требуемый сигнал с частотой F и уже ненужный сильный сигнал в полосе Δf, который необходимо убрать с выхода смесителя. Для этого в коаксиальной линии (6) установлен полосовой заграждающий фильтр (15), состоящий из четырех отрезков коаксиальной линии (12), размещенных на коаксиальной линии (6). Внутри них находятся металлические стержни (13) и пластины (14) [Дж. Альтман «Устройства сверхвысоких частот», перевод с английского, МИР, М. 1968, стр. 326-327.]. Такой фильтр (15) настроен на отражение сигналов в полосе частот Δf, в результате чего эти сигналы отражаются назад в коаксиальной линии (6) к диоду (9). Так как расстояние от фильтра (15) до диода (9) равно , то отраженные сигналы в полосе Δf складываются на диоде (9) в фазе с сигналами в этой полосе частот, пришедшими с входа 2 смесителя через второй входной волноводный фильтр (4). Фильтр (15) настраивается на максимальное отражение СВЧ сигналов на частотах в полосе Δf назад к диоду (9) в коаксиальной линии (6) в полосе не менее Δf при небольших колебаниях амплитуды и фазы отраженных сигналов. Настройка фильтра (15) производится путем изменения характеристического сопротивления коаксиальных отрезков (12), толщины и длины металлических стержней (13), величины площади пластин (14) и расстояния до центрального проводника (8) коаксиальной линии (6) для диапазонов частот f и f. В результате назад к диоду (9) можно вернуть значительную часть мощности сигнала в полосе Δf и обеспечить в этой полосе частот работу смесителя.
Таким образом, достигается заявленный технический результат предлагаемого СВЧ смесителя.