Изобретение относится к электронной технике. Достигаемый технический результат - расширение рабочего диапазона частот, в том числе включая крайне высокие, снижение потерь преобразования. Смеситель СВЧ содержит коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода, коаксиальную линию передачи - вывод преобразованной частоты, изолирующую подложку, на одной стороне которой выполнено металлизированное покрытие, а на другой - интегральная схема с активным элементом, низкочастотный фильтр, при этом изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV, металлизированное покрытие изолирующей подложки выполнено локально, неметаллизированная часть изолирующей подложки выполнена в виде плавных переходов с противоположных концов изолирующей подложки, на другой стороне изолирующей подложки с обоих противоположных ее концов дополнительно выполнены Г-образные металлические проводники, а 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. 4 ил.
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:
- изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV,
- 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:
выполнение изолирующей подложки из полупроводникового материала типа AIIIBV 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.
Изолирующая подложка 2 выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV, 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.
Входной сигнал Uc(t) с частотой fc и сигнал гетеродина Uг(t) с частотой fг 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 Uc(t) подается на затвор ПТШ монолитной интегральной схемы 5, а сигнал гетеродина Uг(t) - на его сток.
Таким образом, внутри структуры ПТШ монолитной интегральной схемы образуется суммарный сигнал U(t)=Uc(t)+Uг(t) сложной формы. Поскольку ПТШ имеет существенно нелинейные зависимости тока от напряжения I(U), которые можно аппроксимировать степенным рядом I(U)=SUM (an×Un), то в спектре тока будут присутствовать многочисленные комбинационные составляющие сигнала с частотами f=m×fc±k×fг, где m, k - целые (отрицательные и положительные) числа. На выходе смесителя расположен низкочастотный фильтр, который выделяет сигнал Uраз(t) с разностной частотой fраз=fc-fг и посредством отрезка коаксиальной линии передачи выводит его на выход смесителя СВЧ.
На изготовленных образцах смесителя СВЧ были измерены зависимости от частоты потерь преобразования входного сигнала в сигнал разностной частоты Кпр.
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.
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 - интегральная схема с активным элементом, изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, и низкочастотный фильтр, выход которого соединен с коаксиальной линией передачи, отличающийся тем, что изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV, 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 - 1/8 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, 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.
www.findpatent.ru
Изобретение относится к электронной технике. Достигаемый технический результат - расширение рабочего диапазона частот, в том числе включая крайне высокие, снижение потерь преобразования. Смеситель СВЧ содержит коаксиально-волноводный тройник в виде отрезка прямоугольного волновода, коаксиальную линию передачи - вывод преобразованной частоты, изолирующую подложку, на одной стороне которой выполнено металлизированное покрытие, а на другой - интегральная схема с активным элементом, низкочастотный фильтр, при этом изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV , металлизированное покрытие изолирующей подложки выполнено локально, неметаллизированная часть изолирующей подложки выполнена в виде плавных переходов с противоположных концов изолирующей подложки, на другой стороне изолирующей подложки с обоих противоположных ее концов дополнительно выполнены Г-образные металлические проводники, а 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. 4 ил.
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:
- изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIII BV,
- 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:
выполнение изолирующей подложки из полупроводникового материала типа AIIIBV 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.
Изолирующая подложка 2 выполнена из полупроводникового материала типа A IIIBV, 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.
Входной сигнал Uc(t) с частотой fc и сигнал гетеродина Uг(t) с частотой fг 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 Uc (t) подается на затвор ПТШ монолитной интегральной схемы 5, а сигнал гетеродина Uг(t) - на его сток.
Таким образом, внутри структуры ПТШ монолитной интегральной схемы образуется суммарный сигнал U(t)=Uc(t)+Uг (t) сложной формы. Поскольку ПТШ имеет существенно нелинейные зависимости тока от напряжения I(U), которые можно аппроксимировать степенным рядом I(U)=SUM (an×Un), то в спектре тока будут присутствовать многочисленные комбинационные составляющие сигнала с частотами f=m×fc±k×f г, где m, k - целые (отрицательные и положительные) числа. На выходе смесителя расположен низкочастотный фильтр, который выделяет сигнал Uраз(t) с разностной частотой f раз=fc-fг и посредством отрезка коаксиальной линии передачи выводит его на выход смесителя СВЧ.
На изготовленных образцах смесителя СВЧ были измерены зависимости от частоты потерь преобразования входного сигнала в сигнал разностной частоты Кпр.
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.
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 - интегральная схема с активным элементом, изолирующая подложка размещена вдоль волновода, посередине и перпендикулярно его широкой стенке, и низкочастотный фильтр, выход которого соединен с коаксиальной линией передачи, отличающийся тем, что изолирующая подложка выполнена из полупроводникового материала типа AIIIBV, 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 - 1/8 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, 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.
www.freepatent.ru
1-. Смеситель СВЧ, содержащий размещенные на диэлектрической подложке микрополосковые линии передачи сигнала и гетеродина, подключенные соответственно к первому и второму трансформаторам, выполненным в виде плавных переходов к первой и второй ленточным линиям передачи, между которыми включен своими диагоналями кольцевой диодный мост, и третий трансформатор, подключенный к микрополосковой линии передачи сигнала промежуточной частоты, отличающийся тем, что. с целью повышения диапазона рабочих частот сигнала промежуточной частоты, в него дополнительно введена третья ленточная линия нередачи, а третий трансформатор выполнен в виде плавного перехода от микрополосковой линии передачи сигнала, промежуточной частоты к третьей ленточной линии передачи, свободный конец которой выполнен с разветвление.1 на первое и второе плечи, которые подключены к диагоналям кольцевого диодного моста, а длины первого и второго плеч выбраны равными и не превышают половины минимальной I длины волны из сигнала и гетеродина, при этом третий трансформатор, третья ленточW ная линия передачи и микрополосковая линия передачи сигнала промежуточной частоты размещены на той же диэлектрической подложке. fPui.i
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
А (51)4 H 04 В 1/26
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ С8ИДЕТЕЛЬСТВУ
Фиг. 1
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3632780/24-09 (22) 09.08.83 (46) 07.08.85. Бюл. № 29 (72) Г. К. Остроумов, Н. А. Худик и. А. А. Биленко (53) 621.372.632 (088.8) (56) Патент США № 3.652.941, кл. Н 04 В 1/26, 1972.
Патент США № 4.063176, кл. Н 04 В 1/26, 1977 (прототип). (54) СМЕСИТЕЛЬ СВЧ (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Смеситель СВЧ, содержащий размещенные на диэлектрической подложке микрополосковые линии передачи сигнала и гетеродина, подключенные соответственно к первому и второму трансформаторам, выполненным в виде плавных переходов к первой и второй ленточным линиям передачи, между которыми включен своими диагоналями кольцевой диодный мост, и третий
„„SU„,, 1172025 трансформатор, подключенный к микрополосковой линии передачи сигнала промежуточной частоты, отличаюи ийся тем, что. с целью повышения диапазона рабочих частот сигнала промежуточнок частоты, в него дополнительно введена третья лспточная линия передачи, а третий трансформатор выполнен в виде плавного перехода от микрополосковой линии передачи сигнала, промежуточной частоты к третьей ленточной линки передачи, свободный конец которой выполнен с разветвлением на первое и второе плечи, которые подключены к диагоналям кольцевого диодного моста, а длины первого и второго плеч выбраны равными и не превышают половины минимальной длины волны из сигнала и гетеродина, при Я этом третий трансформатор, третья ленточная линия передачи и микрополосковая линия передачи сигнала промежуточной частоты размещены на той же диэлектрической С подложке.
Ме
1172025
2. Смеситель СВЧ, содержащий размещенные на диэлектрической подложке микрополосковые линии передачи сигнала и гетеродина, подключенные соответственно к первому и второму трансформаторам, выполненным в виде плавных переходов к первой и второй ленточным линиям передачи, между которыми включен своими диагоналями кольцевой диодный мост, и третий трансформатор, подключенный к микрополосковой линии передачи сигнала промежуточной частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения диапазона рабочих частот сигнала промежуточной частоты и улучшения технологичности, в него дополнительно введена третья ленточная линия передачи, а третий трансформатор выполнен в виде плавИзобретение относится к радиотехнике
СВЧ и может использоваться в радиоприемной, радиопередающей и радиоизмерительной аппаратуре.
Цель изобретения по первому варианту— повышение диапазона рабочих частот сигнала промежуточной частоты, а по второму варианту — повышение диапазона рабочих частот сигнала промежуточной частоты и улучшение технологичности.
На фиг. 1 приведена конструкция первого варианта смесителя СВЧ; на фиг. 2 и 3 — увеличенное изображение основных элементов конструкции первого варианта смесителя СВЧ; на фиг. 4 — конструкция второго варианта смесителя СВЧ; на фиг. 5 и 6 — увеличенное изображение основных элементов конструкции второго варианта смесителя СВЧ.
Смеситель СВЧ (первый вариант) содержит диэлектрическую подложку 1, микрополосковые линии передачи сигнала 2 и гетеродина 3, первый, второй и третий трансформаторы 4 — 6, первую, вторую и третью ленточные линии 7 — 9 передачи, первое и второе плечи 10 и 11 третьей ленточной линии 9 передачи, кольцевой диодный мост
12, микрополосковую линию 13 передачи сигнала промежуточной частоты.
Смеситель СВЧ (второй вариант) содержит диэлектрическую подложку 1; микрополосковые линии передачи сигнала 2 и гетеродина 3, первый, второй и третий трансформаторы 4 — 6, первую, вторую и третью ленточные линии 7 — 9 передачи, первое и второе плечи 10 и 11 третьей ленточной линии 9 передачи, кольцевой диодный мост
30 ного перехода от микрополосковой линии передачи сигнала промежуточной частоты к третьей ленточной линии передачи, свободный конец которой выполнен с разветвлением на первое и второе плечи, которые подключены к диагоналям кольцевого диодного моста, а длины первого и второго плеч выбраны равными и не превышают половины минимальной длины волны из сигнала и гетеродина, при этом третий трансформатор, третья ленточная линия передачи и микрополосковая линия передачи сигнала промежуточной частоты размещены на дополнительной диэлектрической подложке, которая установлена перпендикулярно диэлектрической подложке.
12, микрополосковую линию 13 передачи сигнала промежуточной частоты, дополнительную диэлектрическую подложку 14.
Смеситель СВЧ (первый вариант) работает следующим образом.
Поступающие на микрополосковые линии передачи сигнала 2 и гетеродина 3 соответственно колебания сигнала и гетеродина подаются противофазно на кольцевой диодный мост 12 через первый и второй трансформаторы 4 и 5 и первую и вторую ленточные линии 7 и 8 передачи. Сигнал промежуточной частоты возбуждает первое и второе плечи 10 и 11 третьей ленточной линии 9 передачи и после суммирования в ней представляет собой симметричный сигнал, который с помощью третьего трансформатора 6 превращается в несимметричный сигнал в микрополосковой линии 13 передачи сигнала промежуточной частоты, причем она развязана от микрополосковых линий передачи сигнала 2 и гетеродина 3, так как первая и вторая ленточные линии 7 и 8 передачи возбуждаются сигналом промежуточной частоты синфазно.
Смеситель СВЧ (второй вариант) работает аналогично (смеситель СВЧ) (первый вариант), но так как дополнительная диэлектрическая подложка 14 расположена перпендикулярно диэлектрической подложке 1, то оказывается возможным непосредственное соединение первого и второго плеч
10 и 11 третьей ленточной линии 9 передачи с диагоналями кольцевого диодного моста
12, что позволяет устранить соединительные проводники и тем самым улучшить тех1172025 нологичность конструкции и обеспечить работу на более высоких частотах.
Для расширения частотного диапазона в область более низких частот первый, второй и третий трансформаторы 4 — 6, а также первое и второе плечи 10 и 11 третьей ленточной линии 9 передачи могут быть охвачены отдельными магнитопроводами.
Предлагаемый смеситель имеет потери преобразования 6 - 7 дБ в диапазоне рабочих частот 5:1.
1) 72025
Составитель Ю. Дании
Редактор В. Данко Тек ред И. Верее Корректор А. Тяско
Заказ 4919 53 Т краж 659 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретении и открытий
113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
www.findpatent.ru
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к волноводным системам СВЧ, и может найти применение в радиолокационных системах, системах связи и метрологии. Технический результат заключается в уменьшении потерь преобразования, увеличении развязки между линиями передачи источника сигнала и источника гетеродина, получение пониженной промежуточной частоты в системах с одним преобразованием частоты при высоком уровне развязки между источниками сигнала и гетеродина. Смеситель СВЧ содержит смесительную камеру 1 в виде объемного металлического резонатора 2 в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность 3 которого образована набором отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения, установленных с касанием их узких стенок нагруженных на короткозамкнутые волноводные секции 8, выполненные на отрезках однородных волноводов прямоугольного поперечного сечения и в них установлены согласованные нагрузки 9. В первый общий фокус 13 подключен полупроводниковый СВЧ-диод 14 патронного типа, во вторые фокусы 15 и 16 подключены линии передачи 18 и 19 источника сигнала и источника гетеродина соответственно. Между диодом 14 и линией передачи 18 и между линиями передачи 18 и 19 установлены развязывающие элементы 20. 3 з. п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к радиотехнике, в частности к волноводным системам СВЧ, и может найти применение в радиолокационных системах, системах связи и метрологии, где необходимо обеспечить низкий уровень потерь преобразования, высокий уровень развязки между сигнальным и гетеродинным входами, а также возможность работы на пониженных промежуточных частотах в системах с одним преобразованием частоты.
Известна конструкция волноводного смесителя СВЧ (Л. Г. Гассанов, А. А. Липатов, В. В. Марков, Н. А. Могильченко, Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М. Радио и связь, 1988, с. 115, рис. 4.17), содержащая волноводный направленный ответвитель, в прямое плечо которого подается принимаемый сигнал Рс, в развязанное плечо мощность источника гетеродина Рг. Такое включение источника сигнала и источника гетеродина обеспечивает их развязку. Проходное плечо направленного ответвителя соединено с волноводной смесительной камерой, в которой установлен СВЧ полупроводниковый диод патронного типа, а в связанном плече направленного ответвителя установлена согласованная нагрузка. Однако данная конструкция смесителя имеет следующие недостатки: для уменьшения потерь сигнала переходное ослабление направленного ответвителя необходимовыбирать достаточно большим (не менее 10 дб), но при этом будет довольно сильно ослабляться мощность гетеродина, т.к. большая его часть будет поглощаться в согласованной нагрузке, а это, в свою очередь, требует резкого увеличения его мощности.
Наиболее близким к изобретению является волноводный смеситель СВЧ (С. М. Клич. Проектирование СВЧ-устройств радиолокационных приемников. М. Советское радио, 1973, с. 126, рис. 2.10а), содержащий смесительную камеру, выполненную на отрезке волновода прямоугольного поперечного сечения, в которой установлен полупроводниковый диод СВЧ патронного типа, и к смесительной камере подключен отрезок прямоугольного волновода, по которому поступают мощности источника сигнала Рс и источника гетеродина Рг. Недостатками данного технического решения являются: значительные потери на преобразования за счет влияния спектра гармоник паразитных колебаний комбинационных частот и отсутствие развязки между источниками сигнала и гетеродина, что, в свою очередь, вносит ограничения на минимально допустимый разнос частот источников сигнала и гетеродина.
Предлагаемое решение является новым, так как не известно из уровня техники, поскольку не известны смесительные камеры, выполненные в виде объемного металлического резонатора в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность которого образована набором отрезков волноводов, прямоугольного поперечного сечения, первые концы которых имеют одинаковые размеры поперечного сечения, и установленные с касанием их узких стенок по прямым, совпадающим с образующими первого эллиптического цилиндра, вторые концы отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения нагружены на короткозамкнутые волноводные секции, выполненные на отрезках волноводов прямоугольного поперечного сечения и в них установлены согласованные нагрузки, и соответственно конструкции выполнения смесительной камеры и электродинамические процессыпротекающие в ней по настоящее время в литературе не описаны. Следовательно, с очевидностью не вытекает из сведений о ранее известных конструкциях смесительных камер, выполненных на основе волновода, когда камера выполнена в виде объемного металлического резонатора в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность которого образована набором отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения, т.е. предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретатльский уровень", так как явным образом не следует из уровня техники.
Сущность изобретения состоит в следующем.
В известное устройство, содержащее следующую совокупность признаков, присущих известному и предлагаемому техническим решениям, а именно: смесительную камеру выполненную в виде объемного металлического резонатора, к которому подключен полупроводниковый СВЧ-диод патронного типа и отрезки линий передачи СВЧ мощности источников сигнала и гетеродина, введена следующая отличительная совокупность признаков, достаточная во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны и признаки характеризующие изобретения в частных случаях, связанных с выполнением короткозамкнутых волноводных секций (пп. 2 4 формулы изобретения).
По п. 1 формулы изобретения смесительная камера в виде объемного металлического резонатора выполнена в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность которого образована набором отрезков водноводов прямоугольного поперечного сечения, первые концы которых имеют одинаковые размеры поперечного сечения, и установленные с касанием их узких стенок по прямым, совпадающим с образующими первого эллиптического цилиндра, вторые концы отрезков водноводов прямоугольного поперечного сечения нагружены на короткозамкнутые волноводные секции выполненные на отрезках волноводов прямоугольного поперечного сечения, и в них установлены согласованныенагрузки, при этом боковая поверхность эллиптического цилиндра для каждой частоты смесительной камеры образована критическими для этой частоты сечениями прямоугольного волновода, минимальный радиус кривизны R1 первого эллиптического цилиндра больше 1= c.max максимальная длина волны рабочего диапазона частот источника сигнала, при условии c>г, или источника гетеродина (при условии г>c), где c длина волны источника сигнала, г длина волны источника гетеродина, а размер широкой стенки набора отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения длины волны 1, для которой боковая поверхность первого эллиптического цилиндра является отражающей, и условия свободного режима распространения длины волны 2 меньшей 1, где 2= г (при условии c>г) или 2= c при условии c<г, плоскости соединения набора отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения с короткозамкнутыми волноводными секциями прямоугольного поперечного сечения расположены по образующей боковой поверхности второго эллиптического цилиндра, минимальный радиус кривизны R2 которого больше R1, а размер широкой стенки короткозамкнутых волноводных секций прямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения длины волны 2, для которой боковая поверхность второго эллиптического цилиндра является отражающей, и условия свободного режима распространения длины волны з, меньшей 2, где - зеркальная комбинация длины волны, причем согласованная нагрузка выбрана из условия полного поглощения СВЧ энергии в диапазоне длин волн от з до , где l= c+г, первые фокусы первой и второй отражающих поверхностей эллиптических цилиндров совмещены и расположены в первом фокусе первого эллиптического цилиндра, в который подключен полупроводниковый СВЧ-диод патронного типа, а вторые ихфокусы лежат в одной плоскости внутри объемного металлического резонатора на большой его оси и в них подключены линия передачи источника сигнала и линия передачи источника гетеродина, соответственно, причем между полупроводниковым СВЧ-диодом и линией передачи источника сигнала и между линией передачи источника сигнала и линией передачи источника гетеродина в плоскости, проходящей через общую большую ось первого и второго эллиптических цилиндров установлены развязывающие элементы.
Технический результат по п. 1 формулы изобретения заключается в уменьшении потерь преобразования и увеличении развязки между линиями передачи источника сигнала и источника гетеродина.
Технический результат по п. 1 формулы изобретения достигается за счет следующей причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков: смесительная камера выполнена в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность которого образована набором отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения и установленные с касанием их узких стенок по прямым совпадающим с образующими первого эллиптического цилиндра, отрезки волноводов нагружены на короткозамкнутые волноводные секции и в них установлены согласованные нагрузки, минимальный радиус кривизны первого эллиптического цилиндра больше максимальной длины волны смесителя, плоскости соединения набора отрезков волноводов с короткозамкнутыми волноводными секциями расположены по образующей боковой поверхности второго эллиптического цилиндра, минимальный радиус кривизны второго эллиптического цилиндра больше минимального радиуса кривизны первого эллиптического цилиндра, первые фокусы первого и второго эллиптических цилиндров совмещены в первом фокусе первого эллиптического цилиндра в который подключен полупроводниковый СВЧ диод патронного типа, во вторые фокусы подключены линии передачи источника сигнала и источника гетеродина соответственно.
Такая совокупность признаков обеспечивает уменьшение потерь преобразования за счет устранения влияния паразитных комбинационных частот, а именно fз зеркальной комбинационной частоты, 2fг второй гармоники гетеродина, f суммарной частоты равной сумме частот гетеродина и сигнала. Эти паразитные комбинационные частоты поглощаются в согласованных нагрузках установленных в волноводных секциях. Линии передачи источника сигнала и источника гетеродина, разнесенные по большой оси первого эллиптического цилиндра, являются развязанными благодаря свойств образованных эллиптических цилиндров с соответствующими отражающими поверхностями.
По п. 2 формулы изобретения: смесительная камера по п. 1, короткозамкнутые волноводные секции прямоугольного поперечного сечения выполнены в виде отрезка однородного волновода.
Технический результат по п. 2 формулы изобретения заключается в уменьшении потерь преобразования и увеличении развязки между линиями передачи источника сигнала и источника гетеродина.
Технический результат по п. 2 формулы изобретения достигается за счет выполнения короткозамкнутых волноводных секций прямоугольного поперечного сечения в виде отрезка однородного волновода, в котором свободно распространяются паразитные комбинационные частоты (зеркальная комбинационная частота, вторая гармоника гетеродина и суммарная частота равная сумме частоты гетеродина и частоты сигнала) и поглощаются в широкополосных согласованных нагрузках, расположенных в волноводных секциях, а подключение линий передачи источника сигнала и источника гетеродина во вторые фокусы эллиптических цилиндров обеспечивает развязку между ними, благодаря свойств геометрической оптики.
По п. 3 формулы изобретения: смеситель СВЧ по п. 1 короткозамкнутые секции прямоугольного поперечного сечения выполнены в виде набора трех последовательно соединенных и ступенчато суживающихся пошироким стенкам в направлении к короткозамкнутому концу отрезков однородных волноводов, при этом размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода третьей степени сужения выбирается из условия распространения длины волны 2г второй гармоники гетеродина и закритического режима для длины волны з, а размер широкой стенки отрезка прямоугольного волновода четвертой ступени сужения выбирается из условия распространения длины волны и закритического режима для длины волны 2г, где = c+г, причем минимальный радиус кривизны Rз третьего эллиптического цилиндра, соответствующего второй ступени сужения больше R2, а минимальный радиус кривизны эллиптических цилиндров последующих ступеней сужения больше минимальных радиусов кривизны эллиптических цилиндров предыдущих ступеней сужения, при этом во вторые фокусы эллиптических цилиндров, образованных первой, второй и третьей ступенями сужения короткозамкнутых волноводных секций прямоугольного поперечного сечения, лежащие на общей большой оси эллиптических цилиндров установлены согласованные нагрузки.
Технический результат по п. 3 формулы изобретения заключается в уменьшении потерь преобразования и увеличении развязки между линиями передачи источника сигнала и источника гетеродина.
Технический результат по п. 3 формулы изобретения достигается за счет выполнения короткозамкнутых волноводных секций прямоугольного поперечного сечения в виде набора трех последовательно соединенных и ступенчато суживающихся по широким стенкам в направлении к короткозамкнутому концу отрезков однородных волноводов и включения во вторые фокусы эллиптических цилиндров, образованных первой, второй и третьей ступенями сужения, согласованных нагрузок. Комбинационные паразитные частоты, возбуждающиеся на смесительном полупроводниковом диоде СВЧ, распространяются по смесительной камере по законам геометрическойоптики и поступают в каждую короткозамкнутую на конце волноводную секцию. Каждая паразитная комбинационная частота распространяясь свободно в своем отрезке однородного волновода волноводной секции, частично поглощается в расположенной в ней согласованной нагрузке, а не поглощенная энергия отражается от соответствующей для этой частоты отражающей поверхности, определяемой ступенькой сужения. Отраженная электромагнитная энергия проходя вторично по согласованной нагрузке частично еще поглощается, а прошедшая непоглощенная энергия излучается в смесительную камеру и фокусируется в соответствующем для этой частоты втором фокусе, где и поглощается в установленном в нем согласованной нагрузке.
По п. 4 формулы изобретения: смеситель СВЧ по п. 1 формулы изобретения короткозамкнутые волноводные секции прямоугольного поперечного сечения выполнены в виде отрезков неоднородных волноводов клинообразной формы суживающиеся по широким стенкам в направлении короткозамкнутого конца, при этом боковая поверхность эллиптического цилиндра для каждой паразитной комбинационной частоты смесителя СВЧ, является отражающей и образована критическими для этой частоты сечениями прямоугольных волноводов, при этом во вторые фокусы эллиптических цилиндров, лежащие на большой оси первого эллиптического цилиндра, установлена согласованная нагрузка.
Технический результат по п. 4 формулы изобретения заключается в возможности получения пониженной промежуточной частоты в системах с одним преобразованием частоты вниз сохраняя при этом высокий уровень развязки между источниками сигнала и гетеродина.
Технический результат по п. 4 формулы изобретения достигается следующим образом. Разнос частот источников сигнала и гетеродина определяется длиной отрезков неоднородных волноводов клинообразной формы и определяется соотношением /dф, где dфрасстояние между вторыми фокусами первого и второго эллиптических цилиндров соответствующие подключению линий передачи источников сигнала и гетеродина. Для уменьшения разноса частот отрезки неоднородных волноводов выполняют довольно длинными, а также меняя профиль граней широких стенок отрезков неоднородных волноводов можно задавать различную величину разноса частот, обеспечивая при этом высокий уровень развязки между этими частотами.
На фиг. 1 приведена конструкция смесителя СВЧ с короткозамкнутыми волноводными секциями на отрезке однородного волновода; на фиг. 2 сечение конструкции смесителя СВЧ на фиг. 1; на фиг. 3 конструкция смесителя СВЧ с короткозамкнутыми волноводными секциями в виде набора трех последовательно соединенных и ступенчато суживающихся по широким стенкам отрезков однородных, волноводов; на фиг. 4 сечение конструкции смесителя СВЧ фиг. 3; на фиг. 5 - конструкция смесителя СВЧ с короткозамкнутыми волноводными секциями на отрезках неоднородных волноводов клинообразной формы, суживающихся по широким стенкам; на фиг. 6 сечение конструкции смесителя СВЧ фиг. 5.
Смеситель СВЧ содержит смесительную камеру 1, выполненную в виде объемного металлического резонатора 2 в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность 3 которого образована набором отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения, первые концы 5 которых имеют одинаковые размеры поперечного сечения, и установлены с касанием их узких стенок 6 по прямым, совпадающим с образующими первого эллиптического цилиндра 2, вторые концы 7 отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения нагружены на короткозамкнутые волноводные секции 8, выполненные на отрезках однородного волновода прямоугольного поперечного сечения и в них установлены согласованныенагрузки 9. Боковая поверхность 3 эллиптического цилиндра 2 для своей частоты смесительной камеры 1 образована критическими для этой частоты сечениями прямоугольного волновода 4, минимальный радиус кривизны R1 первого эллиптического цилиндра больше 1= c.max максимальная длина волны рабочего диапазона частот источника сигнала, при условии c>г, или источника гетеродина, при условии г>c, где c длина волны источника сигнала, г длина волны источника гетеродина, а размер широкой стенки 10 набора отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения длины волны 1, для которой боковая поверхность 3 первого эллиптического цилиндра 2 является отражающей, и условия свободного режима распространения длины волны 1, меньшей 2, где 2= г при условии c>г, или 2= c/ при условии c< г. Плоскости соединения набора отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения с короткозамкнутыми волноводными секциями 8 прямоугольного поперечного сечения расположены по образующей боковой поверхности 11 второго эллиптического цилиндра 12, минимальный радиус кривизны R2 которого больше R1, а размер широкой стенки 10 короткозамкнутых волноводных секций 8 прямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения длины волны 2, для которой боковая поверхность 11 второго эллиптического цилиндра 12 является отражающей, и условия свободного режима распространения длины волны з меньшей 2, где зеркальная комбинация длины волны, причем согласованная нагрузка 9 выбрана из условия полного поглощения СВЧ энергии в диапазоне длин волн от з до , где l= c+ г.
Первые фокусы первой и второй отражающих поверхностей 3 и 11 эллиптических цилиндров 2 и 12 соответственно, совмещены и расположены в первом фокусе 13 первого эллиптического цилиндра 2, в который подключенполупроводниковый СВЧ-диод 14 патронного типа, а вторые их фокусы 15 и 16 лежат в одной плоскости внутри объемного металлического резонатора 2 на большой его оси 17 и в них подключены линия передачи 18 и 19 источника сигнала и линия передачи источника гетеродина соответственно, причем между полупроводниковым СВЧ-диодом 14 и линией передачи 18 источника сигнала и между линией передачи 18 источника сигнала и линией передачи 19 источника гетеродина в плоскости, проходящей через общую большую ось 17 первого и второго эллиптических цилиндров 2 и 12 соответственно, установлены развязывающие элементы 20.
Короткозамкнутые волноводные секции 8 прямоугольного поперечного (фиг. 3) сечения выполнены в виде набора трех последовательно соединенных и ступенчато суживающихся по широким стенкам 10 в направлении к короткозамкнутому концу отрезков однородных водноводов 8, 21 и 22 соответственно, при этом размер широкой стенки 10 отрезка прямоугольного волновода 21 третьей ступени сужения выбирается из условия распрострарения длины волны 2г второй гармоники сигнала гетеродина и закритического режима для длины волны з, а размер широкой стенки 10 отрезка прямоугольного волновода 22 четвертой ступени сужения выбирается из условия распространения длины волны и закритического режима для длины волны 2г, где = c+ г, причем минимальный радиус кривизны R3 третьего эллиптического цилиндра 23, соответствующего второй ступени сужения больше R2, а минимальные радиусы кривизны эллиптических цилинжров последующих ступеней сужения 25, 24 больше минимальных радиусов кривизны эллиптических цилиндров предыдущих ступеней сужения 24, 23 соответственно. Вторые фокусы 26, 27 и 28 эллиптических цилиндров 23, 24 и 25 соответственно, образованных второй и третьей ступенями сужения 26 и 27 соответственно, и короткозамкнутой стенкой 28 короткозамкнутых волноводных секций 8 прямоугольного поперечного сечения, лежащие на общейбольшой оси 17 эллиптического цилиндра 2, установлены согласованные нагрузки 29.
Короткозамкнутые волноводные секции 8 прямоугольного поперечного сечения выполнены в виде отрезков неоднородных волноводов клинообразной формы суживающиеся по широким стенкам 10 в направлении короткозамкнутого конца, при этом боковая поверхность эллиптического цилиндра для каждой частоты смесителя СВЧ fз, 2fг и f образована критическими для этой частоты сечениями прямоугольных волноводов 8.
Смеситель СВЧ работает следующим образом.
CВЧ-энергия от источника сигнала поступает на входную линию передачи 18, а СВЧ-энергия от источника гетеродина поступает на входную линию передачи 19, подключенные в фокусы 15 и 16 первой и второй эллиптических отражающих поверхностей 5 и 12 соответственно, и возбуждает в смесительной камере 1 два электромагнитных колебания одно с частотой сигнала, а другое с частотой гетеродина. Размеры большой и малой осей смесительной камеры 1 выбираются согласно законов геометрической оптики при условии, что кривизна эллиптической поверхности 5 должна быть много больше максимальной длины волны источника сигнала и источника гетеродина, а отрезки волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения, образующих боковую поверхность выбраны так, чтобы их поперечное сечение было закритическим для этой максимальной длины волны. Высота смесительной камеры 1 определяется высотой узкой стенки отрезков волноводов 4 прямоугольного поперечного сечения. Возбужденные электромагнитные колебания в смесительной камере 1 распространяются внутри нее по радиальным направлениям и отражаются соответствующей для частоты сигнала и частоты гетеродина боковой поверхностью эллиптического цилиндра 5 или 12. Боковая поверхность 3 первого эллиптического цилиндра 5 является отражающей для частоты сигнала при условии lc>г и являетсяотражающей для частоты гетеродина при условии г>c, а образующая боковой поверхности 11 второго эллиптического цилиндра 12, образованная плоскостями соединения отрезков волноводов 4 с короткозамкнутыми волноводными секциями 8, соответственно, при этом размер широкой стенки волноводных секций 8 выбран из условия закритического режима распространения этой длины волны. Профиль каждой отражающей эллиптической поверхности 3 и 11 первого и второго эллиптических цилиндров 5 и 12 характеризуется для своей длины волны равными фазами коэффициента отражения (модуль равен единице) и имеет вторую фокальную точку, в которой фокусируются все отраженные электромагнитные колебания частоты сигнала и частоты гетеродина. Этими фокальными точками являются вторые фокусы эллиптических цилиндров 5 и 12. Первые фокусы совмещены и расположены в первом фокусе 13 первого эллиптического цилиндра 5, в который подключен смесительный полупроводниковый СВЧ диод 14. Резонансные типы колебаний и объемные связи между полупроводниковым СВЧ-диодом и линией передачи 18 источника сигнала и между линией передачи 18 источника сигнала и линией передачи 19 источника гетеродина, определяющие развязку ними, подавляются при помощи пластин 20 из поглощающего СВЧ материала, расположенных вдоль общей большой оси 17 первого и второго эллиптических цилиндров 2 и 12.
На смесительном полупроводниковом СВЧ-диоде 14 возбуждаются паразитные комбинационные частоты з зеркальная комбинационная частота, 2г вторая гармоника гетеродина, суммарная частота, которые распространяясь в смесительной камере 1, согласно законов геометрической оптики, поступают в отрезки волноводов 4 и короткозамкнутые волноводные секции 10, в которые установлены широкополосные согласованные нагрузки 9 поглощающего типа. Размер широкой стенки 10 короткозамкнутых однородных волноводных секций 8 прямоугольного поперечного сечения выбран из условия свободного режима распространенияпаразитных комбинационных частот, электромагнитная энергия которых поглощается в согласованных нагрузках 9 и не попадает на линии передачи источника сигнала 18 и источника гетеродина 19, обеспечивая тем самым уменьшение потерь на преобразование сигнала в смесителе СВЧ.
При выполнении короткозамкнутых волноводных секций 8 в виде набора трех последовательно соединенных и ступенчато суживающихся по широким стенкам 10 в направлении к короткозамкнутому концу отрезков однородных волноводов 8, 21 и 22 смеситель СВЧ работает следующим образом. Выбор размера широкой стенки 10 отрезка прямоугольного волновода 21 третьей ступени сужения выбирается из условия распространения длины волны 2г второй гармоники гетеродина и закритического режима для длины волны з зеркальной комбинационной частоты и размера широкой стенки 10 отрезка прямоугольного волновода 22 четвертой короткозамкнутой ступени сужения выбирается из условия распространения длины волны суммарной частоты, а расположение плоскостей соединения ступеней отрезков 8, 21 и 22 суживающихся волноводов осуществляется по образующей боковой поверхности третьего и четвертого эллиптических цилиндров 23 и 24 соответственно, а короткозамкнутые концы по образующей эллиптического цилиндра 25. При этом минимальные радиусы кривизны эллиптических цилиндров последующих ступеней сужения больше минимальных радиусов кривизны предыдущих ступеней сужения. Паразитные комбинационные типы колебаний распространяясь по волноводным секциям 8, 21 и 22 последовательно поглощаются в согласованной нагрузке 9. Непоглощенная СВЧ энергия паразитных комбинационных частот отражается от соответствующей отражающей боковой поверхности эллиптических цилиндров 23, 24, 25, и согласно законов геометрической оптики фокусируются во вторых фокусах 26, 27, 28 этих эллиптических цилиндров лежащих на общей большой оси 17 и разнесенных по этой оси. Во вторые фокусы 26, 27 и 28 установлены согласованные нагрузки 29 поглощающего типа в которых и происходитполное поглощение СВЧ-энергии паразитных комбинационных частот.
При выполнении короткозамкнутых волноводных секций 8 прямоугольного поперечного сечения в виде отрезков неоднородных волноводов клинообразной формы суживающихся по широким стенкам в направлении короткозамкнутого конца смеситель СВЧ работает следующим образом. Для частоты источника гетеродина или сигнала и паразитных комбинационных частот глубина проникновения в отрезки неоднородных волноводов 8 зависит от длины волны, так как далее определенного (критического) поперечного сечения неоднородные отрезки волноводов являются закритическими, образуют профиль эллиптической отражающей поверхности, характеризуемой равными фазами коэффициента отражения, и отражают электромагнитные волны с длиной волны больше критической. Согласованные нагрузки 9, поглощающего типа, установлены в отрезках неоднородных волноводов 8 за критическим сечением частоты источника гетеродина или сигнала, поглощают энергию СВЧ-паразитных комбинационных частот, а не поглощенная энергия отражается и фокусируется, в соответствующем для данной эллиптической отражающей поверхности, втором фокусе 26, 27 и 28, где и поглощается в установленной в них согласованной нагрузке 29. Для повышения эффективности поглощения согласованные нагрузки 29 могут выполняться в виде бруска, охватывающего все фокусы, из поглощающего материала. Понижение промежуточной частоты, т.е. уменьшение разноса частот источника сигнала и источника гетеродина, сохраняя при этом высокий уровень развязки между источниками, определяется следующим соотношением /dф и характеризуется разрешающей способностью смесительной камеры. В данном случае разрешающая способность определяется длиной отрезков неоднородных волноводов 8. Поэтому для увеличения разрешающей способности отрезки неоднородных волноводов 8 необходимо выполнять довольно длинными, кроме того меняя профиль граней широких стенок 10 отрезков неоднородных волноводов 8 (в случае необходимости) можно также регулировать величину разрешающей способности. Для уменьшения продольных размеров отрезков неоднородных волноводов 8, при сохранении электрических характеристик, можно заполнять их сверхвысокочастотным диэлектриком.
Развязывающий элемент для подавления резонансных типов колебаний и объемных связей между полупроводниковым СВЧ-диодом 14 и линиями передачи источников сигнала 18 и источника гетеродина 19, определяющий развязку между ними, может выполняться в виде нагруженной щели, прорезанной в основании прямого эллиптического цилиндра на его главной большой оси 17.
1. Смеситель СВЧ, содержащий смесительную камеру, выполненную в виде объемного металлического резонатора, к которой подключены полупроводниковый СВЧ-диод смесительного типа и отрезки линий передачи СВЧ-энергии источника сигнала и источника гетеродина, отличающийся тем, что объемный металлический резонатор выполнен в форме прямого эллиптического цилиндра, боковая поверхность которого образована набором отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения, первые концы которых имеют одинаковые размеры поперечного сечения и установлены с касанием их узких стенок по прямым, совпадающим с образующими прямого эллиптического цилиндра, вторые концы отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения нагружены на короткозамкнутые волноводные секции и в них установлены согласованные нагрузки, при этом размер широких стенок набора отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения для или для г при c<г, где максимальная длина волны рабочего диапазона частот источника сигнала, c длина волны источника сигнала, г длина волны источника гетеродина, причем минимальный радиус кривизны R1 объемного металлического резонатора выбран из условия или R1>г при c<г, плоскости соединения набора отрезков волноводов прямоугольного поперечного сечения с короткозамкнутыми волноводами секциями прямоугольного поперечного сечения расположены по боковой поверхности второго эллиптического цилиндра, минимальный радиус кривизны R2 которого больше R1, а размер широких стенок короткозамкнутых волноводных секций пррямоугольного поперечного сечения выбран из условия закритического режима распространения г при c>г или для c при c<г, и условия распространения з причем согласованная нагрузка выбрана из условия полного поглощения СВЧ-энергии в диапазоне з-, где , первые фокусы объемного металлического резонатора и второго эллиптического цилиндра совмещены и в нем размещен полупроводниковый СВЧ-диод смесительного типа, а второй фокус второго эллиптического цилиндра лежит на большой оси объемного металлического резонатора и во вторых фокусах размещены линии передачи источника сигнала и линия передачи источника гетеродина соответственно, причем между полупроводниковым СВЧ-диодом смесительного типа и линией передачи источника сигнала и между линией передачи источника сигнала и линией передачи источника гетеродина в плоскости, проходящей через общую большую ось объемного металлического резонатора, установлены развязывающие элементы.
2. Смеситель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что короткозамкнутые волноводные секции прямоугольного поперечного сечения выполнены в виде отрезков однородного волновода.
3. Смеситель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что каждая короткозамкнутая волноводная секция прямоугольного поперечного сечения выполнена в виде трех последовательно расположенных и ступенчато суживающихся по широким стенкам в направлении к короткозамкнутому концу волноводов, при этом размер широкой стенки волновода второй ступени выбран из условия распространения длины волны 2г и закритического режима для длины волны з, а размер широкой стенки волновода третьей ступени сужения выбран из условия распространения длины волны и закритического режима для длины волны 2г причем минимальный радиус кривизны R3 третьего эллиптического цилиндра, соответствующего первой ступени сужения, больше R2, минимальные радиусы кривизны эллиптических цилиндров, образованных последующими ступенями, больше минимальных радиусов кривизны эллиптических цилиндров, образованных предыдущими ступенями, при этом вторые фокусы эллиптических цилиндров, образованных первой и второй ступенями и короткозамкнутыми стенками короткозамкнутых волноводных секций прямоугольного поперечного сечения, лежат на большой оси объемного металлического резонатора и в них установлены согласованные нагрузки.
4. Смеситель СВЧ по п.1, отличающийся тем, что каждая короткозамкнутая волноводная секция прямоугольного поперечного сечения выполнена в виде отрезка неоднородного волновода клинообразной формы, суживающегося по широким стенкам в направлении короткозамкнутого конца, при этом отрезок неоднородного волновода клинообразной формы имеет сечения, критические для длин волн образующие соответствующие эллиптические цилиндры.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
www.findpatent.ru
Использование: в радиотехнике, в СВЧ-приемниках. Сущность изобретения: Смеситель содержит два смесительных диода, соединенных катодом первого и анодом второго с отрезком линии передачи, а также два короткозамкнутых отрезка линии передачи, каждый из которых соединен соответственно с анодом первого и катодом второго диодов. Приведено математическое выражение для расчета длины каждого из короткозамкнутых отрезков линии передачи. 2 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах, СВЧ-приемниках.
Известен смеситель с субгармонической накачкой, содержащий два смесительных диода, соединенных анодом первого диода и катодом второго с отрезком линии передачи для входа мощности сигнала, сигнала гетеродина и выхода сигнала промежуточной частоты, при этом катод первого и анод второго диода короткозамкнуты (см. Полупроводниковые параметрические усилители и преобразователи СВЧ./ Под ред. В.С. Эткина, М, Радио и связь, 1983, с. 196 - 197).
Недостатком является большой коэффициент шума смесителя при его работе на четных гармониках гетеродина.
Известен смеситель СВЧ, содержащий два смесительных диода, соединенных катодом первого и анодом второго с отрезком линии передачи для входа сигнала гетеродина и выхода сигнала промежуточной частоты, и короткозамкнутые отрезки линии передачи, на частоте (2n+1) гармоники гетеродина, где n 1,2,3, в плоскости включения полосового фильтра, а расстояние от места включения диодов до полосового фильтра на частоте (2n+1) гетеродина определяют из выражения: длина волны в отрезке линии передачи на частоте (2n+1), где n=1,2,3. fг частота гетеродина; Xд реактивное сопротивление смесительного диода на частоте (2n+1)fг; Z волновое сопротивление отрезка линии передачи. (см. пат. СССР N 1787314, кл. H 03 D 7/02, опубл. 07.01.93).
Недостатками указанного смесителя является невозможность использования его на четных гармониках гетеродина из-за большого коэффициента шума.
Задачей изобретения является обеспечение возможности работы смесителя на четных гармониках гетеродина с низким коэффициентом шума.
Сущность изобретения заключается в том, что в смесителе СВЧ, содержащем два смесительных диода, соединенных катодом первого и анодом второго с отрезком линии передачи для входа сигнала гетеродина и выхода сигнала промежуточной частоты, и короткозамкнутые отрезки линии передачи, согласно изобретению с отрезком линии передачи соединен вход сигнала, а каждый короткозамкнутый отрезок линии передачи соединен соответственно с анодом первого и катодом второго диодов и имеет длину, определяемую из выражения: Xд реактивное сопротивление смесительного диода на частоте 2nfг, где n= 1,2,3. fг частота сигнала гетеродина; Z волновое сопротивление отрезка линии передачи; длина волны в отрезке линии передачи на частоте 2nfг.
Указанная длина l короткозамкнутого отрезка линии передачи и соединение каждого короткозамкнутого отрезка с соответствующим диодом приводит к появлению резонанса в последовательном контуре, включающем реактивные сопротивления смесительных диодов Xд, отрезков линии передачи X, дифференциальных сопротивлений смесительных диодов в ЭДС e на частоте 2nfг, возникающей на смесительных диодах (фиг. 2). Последовательный контур настроен на частоту 2nfг. Для появления резонанса в контуре необходимо, чтобы сумма реактивных сопротивлений X и Xд на частоте 2nfг равнялась нулю. Т. е. сопротивление линии связи X должно равняться реактивному сопротивлению Xд, но с обратным знаком.
Из общего уравнения линии связи где Zвх входное сопротивление линии;Zн сопротивление нагрузки;Z волновое сопротивление линии;l длина линии;l длина волны в линии,при Zн=0 получаем формулу:Выбор длины l обеспечивается равенством Zвх (сопротивление линии связи X) и реактивного сопротивления каждого диода Xд с обратным знаком, что приводит к появлению резонанса на частоте 2nfг, за счет которого происходит увеличение напряжения на частоте 2nfг на дифференциальных сопротивлениях смесительных диодов, что влечет снижение потерь преобразования смесителя на частоте 2nfг и коэффициента шума.
Коэффициент шума снижается также за счет уменьшения вклада АМ шума гетеродина, вызванного увеличением отстройки боковых полос от несущего колебания гетеродина.
Таким образом смеситель СВЧ имеет возможность работы на четных гармониках гетеродина с низким коэффициентом шума.
На фиг. 1 изображен смеситель СВЧ в разрезе; на фиг. 2 последовательный колебательный контур.
Смеситель СВЧ (фиг. 1) содержит два смесительных диода 1, 2, соединенных катодом первого 1 и анодом второго 2 с отрезком линии передачи 3 для входа сигнала и сигнала гетеродина и выхода сигнала промежуточной частоты, и короткозамкнутые отрезки линии передачи 4, 5, каждый из которых соединен соответственно, например, с анодом первого 1 и катодом второго 2 диодов и имеет длину, определяемую из выражения:Xд реактивное сопротивление смесительного диода на частоте 2nfг, где n 1,2,3.
Z волновое сопротивление отрезка линии передачи; длина волны в отрезке линии передачи на частоте 2nfг;fг частота гетеродина.
Смеситель работает следующим образом. Сигнал и сигнал гетеродина подают на смесительные диоды 1, 2 по отрезку линии передачи 3. Сигнал промежуточной частоты fпч fс-2nfг, где fс частота сигнала; fг частота гетеродина; fпч промежуточная частота, выводится по отрезку линии передачи 3.
Поскольку совокупность реактивных сопротивлений Xд смесительных диодов 1, 2 и короткозамкнутых отрезков линии передачи 4, 5 длиной l образует последовательный колебательный контур, настроенный на частоту 2nfг, то это приводит к увеличению напряжения на четной гармонике гетеродина (2nfг), на дифференциальном сопротивлении Rд смесительных диодов, а следовательно, к низким потерям преобразования и низкому коэффициенту шума смесителя.
Смеситель СВЧ, содержащий два смесительных диода, соединенных катодом первого и анодом второго с отрезком линии передачи, первый конец которого является входом ВЧ сигнала, а второй конец выходом сигнала промежуточной частоты, и два короткозамкнутых по высокой частоте отрезка линии передачи, каждый из которых соединен с вторым электродом соответствующего смесительного диода, отличающийся тем, что длина l каждого из короткозамкнутых отрезков линии передачи выбрана равной:где Хд реактивное сопротивление смесительного диода на частоте 2 n fг где n 1,2,3. а fг частота сигнала гетеродина;Z волновое сопротивление отрезка линии передачи; длина волны в отрезке линии передачи на частоте 2n fг,при этом первый конец отрезка линии передачи является входом сигнала гетеродина.
Рисунок 1, Рисунок 2
www.findpatent.ru
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в различной приемопередающей и измерительной аппаратуре. Смеситель содержит диэлектрическую подложку, на одной стороне которой расположены две микрополосковые линии, являющиеся входами трактов сигнала ВЧ и гетеродина. На другой стороне диэлектрической подложки в металлизации выполнены щелевые линии трактов, расположенные соосно друг другу и ортогонально к соответствующей микрополосковой линии. Один конец щелевых линий закорочен, а другой является входом схемы преобразования, которая выполнена на одном кристалле. В щелевую линию каждого тракта параллельно ее входу в схему со стороны каждого проводника, введены короткозамкнутые отрезки щелевых линий, выполненные с длиной, равной ¼ длины волны гетеродина - в тракте гетеродина и ¼ длины волны сигнала - в тракте сигнала, что позволило добиться высокой степени развязки между входами сигнала ВЧ и гетеродина. С неметаллизированной стороны диэлектрической подложки размещены емкостные площадки, перемещаемые вдоль щелевых линий на участке между точкой ее возбуждения и схемой. Техническим результатом является повышение развязки между входами сигнала высокой частоты и гетеродина. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
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.
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 λсиг/4. Длина короткозамкнутых щелевых отрезков 12 и 13 в тракте гетеродина составляет λгет/4. Открытые концы короткозамкнутых четвертьволновых отрезков подключены к выходам щелевых линий передачи 3 и 5 сигнала и гетеродина соответственно.
Смеситель работает следующим образом.
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 FIF=FRF±FLO 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.
1. Смеситель СВЧ, содержащий 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, отличающийся тем, что 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 длиной, равной ¼ длины волны гетеродина в тракте гетеродина, и ¼ длины волны сигнала ВЧ в тракте сигнала.
2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен емкостными площадками, выполненными в виде металлических прямоугольных пластинок, перемещаемых вдоль щелевых линий с неметаллизированной стороны диэлектрической подложки, на участке между точкой возбуждения щелевой линии и микросхемой.
3. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что длина щелевой линии тракта сигнала от точки ее возбуждения микрополосковой линией до входа в микросхему равна ¼ волны сигнала.
4. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что длина щелевой линии тракта гетеродина от точки ее возбуждения микрополосковой линией до входа в микросхему равна ¼ волны гетеродина.
www.findpatent.ru
www.freepatent.ru
