Балансный смеситель

Балансный смеситель

Реферат

 

Использование: во входных цепях РЛС и радиометров для приема и обработки информационных радиосигналов. Сущность изобретения: устройство содержит отрезок прямоугольного волновода, в E-плоскости которого установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый отрезок короткозамкнутой волноводно-щелевой линии, являющийся входом сигнала гетеродина, и второй отрезок короткозамкнутой волноводно-щелевой линии, являющийся входом информационного сигнала. На другой стороне подложки нанесен полосковый проводник, первый конец которого выполнен в виде разомкнутой прямоугольной петли и соединен через фильтр промежуточной частоты с выходом промежуточной частоты. Второй конец полоскового проводника соединен с первыми разнополярными электродами смесительных диодов, вторые электроды которых подсоединены соответственно к соединенным полосковым дросселям, замкнутым на широкие стенки отрезка прямоугольного волновода. 2 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к СВЧ-преобразователям, и предназначено для использования во входных цепях различных РЛС и радиометров для приема и обработки информационных радиосигналов.

Известен балансный смеситель КВЧ-диапазона, содержащий диэлектрическую подложку, размещенную в Е-плоскости волноводного Е-тройника, на которой выполнена гибридно-интегральная схема, включающая три отрезка односторонней волноводно-щелевой линии, отрезок копланарной линии и фильтр промежуточной частоты, выполненный на микрополосковой линии. Два смесительных диода первыми разнополярными электродами присоединены к одному из концов центрального проводника копланарной линии, а другими к соответствующим ребрам односторонней волноводно-щелевой линии.

Недостатком такого балансного смесителя является размещение входов информационного и гетеродинного сигналов в двух ортогональных плоскостях, что приводит к усложнениям как при изготовлении смесителя, так и при его применении. Кроме того, используемая электродинамическая схема балансного смесителя не дает возможность компенсировать паразитные реактивности диодов, что приводит к трудностям при настройке смесителя и ухудшению его параметров.

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является балансный смеситель [1] содержащий диэлектрическую подложку, размещенную в Е-плоскости прямоугольного волновода, на обеих сторонах которой выполнена гибридно-интегральная схема, включающая отрезки односторонней и несимметричной волноводно-щелевой линии, а также отрезок микрополосковой линии, соединенный с фильтром промежуточной частоты. Два смесительных диода первыми разнополярными электродами присоединены к одному из концов полоска микрополосковой линии, а другими к соответствующим ребрам односторонней волноводно-щелевой линии.

Недостатком такого смесителя является сложность его конструкции, заключающаяся в необходимости использовать волноводные СВЧ-дроссели, для предотвращения излучения информационного и гетеродинного сигналов в щели, образующейся между двумя половинами корпуса смесителя при установке диэлектрической подложки в Е-плоскости волновода. Этот недостаток особенно усиливается в коротковолновой части КВЧ-диапазона, где толщина подложки становится соизмерима с размерами широкой стенки волновода и применяемые СВЧ-дроссели не обеспечивают эффективного без потерь СВЧ-контакта между металлизацией, выполненной на подложке, и стенками волновода во всей рабочей полосе частот смесителя. Это ведет как к снижению потерь преобразования смесителя, так и к сужению его рабочей полосы частот. Недостатком этого балансного смесителя является также то, что используемая в нем электродинамическая схема ведет к необходимости включать смесительные диоды между полосковым проводником микрополосковой линии передачи и соответствующими ребрами волноводно-щелевой линии передачи. Поскольку "заземляющая" плоскость микрополосковой линии и ребра волноводно-щелевой линии выполнены на разных сторонах подложки и в области мостового соединения не перекрываются, то шунтирование гетеродинного и разностного сигналов совершается неэффективно с потерями из-за образующегося между двумя линиями передачи емкостного зазора, который приводит к повышению, импеданса смесителя как на гетеродинной, так и на разностной частоте, а следовательно, к повышению потерь преобразования. Снижение же импеданса смесителя с помощью проводников, пропускаемых через изготовленные в подложке отверстия и соединяющих металлизации волноводно-щелевой и микрополосковой линий, также является недостатком, особенно усиливающимся в коротковолновой части КВЧ-диапазона, где паразитные реактивности используемых проводников становятся существенными и сравнимыми с паразитными реактивностями используемых диодов, что, в свою очередь, ведет к ухудшению согласования смесителя, а следовательно, к увеличению потерь преобразования. Недостатком этого смесителя является и то, что полосковый проводник соединяется с широкой стенкой волновода. Это приводит к необходимости включать в него разделительную емкость, чтобы предотвратить потери сигнала разностной частоты. Для компенсации на СВЧ-паразитной реактивности разделительной емкости в гетеродинный тракт включаются компенсирующие шлейфы. Введение и разделительной емкости и компенсирующих шлейфов приводит, кроме усложнения конструкции, к сужению рабочей полосы частот смесителя по гетеродинному сигналу и к ухудшению его согласования на разностной и гетеродинной частотах, а следовательно, и к увеличению потерь преобразования. Кроме того, в данной конструкции балансного смесителя для подачи прямого смещения на диоды необходимо изолировать одно ребро волноводно-щелевой линии от стенки волновода с помощью диэлектрической прокладки. Это ведет к ухудшению параметров смесителя, что особенно проявляется в коротковолновой части КВЧ-диапазона.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции смесителя и снижение его потерь преобразования. Указанная цель достигается тем, что в балансном смесителе КВЧ-диапазона, содержащем диэлектрическую подложку, размещенную в Е-плоскости прямоугольного волновода, на которой выполнены первый отрезок волноводно-щелевой линии, один конец которого является входом сигнала гетеродина, второй отрезок волноводно-щелевой линии, один конец которого является входом информационного сигнала, другой короткозамкнут, отрезок микрополосковой линии, полосковый проводник которой размещен на первой стороне подложки и одним концом связан с фильтром промежуточной частоты, а ко второму присоединены первыми разнополярными электродами два смесительных диода, диэлектрическая подложка выполнена с шириной равной размеру узкой стенки волновода, ребра первого и второго отрезков волноводно-щелевой линии установлены в одной плоскости, расположены на второй стороне подложки и выступают за ее края вдоль всей длины в виде металлических мембран, другой конец первого отрезка волноводно-щелевой линии выполнен короткозамкнутым, первый конец полоскового проводника выполнен разомкнутым, П-образно изогнут, ориентирован вдоль оси волновода и расположен симметрично по обеим сторонам первого отрезка волноводно-щелевой линии, при этом пересекает его на расстоянии равном четверти длины волны на частоте сигнала гетеродина от его короткозамкнутого конца, второй конец полоскового проводника осесимметрично перекрывает короткозамкнутый конец второго отрезка волноводно-щелевой линии на расстоянии, равном четверти длины волны на частоте информационного сигнала, введены два симметрично расположенных на подложке и короткозамкнутых на соответствующие широкие стенки волновода СВЧ-дросселя, каждый диод другим своим электродом присоединен к введенному на первой стороне подложки полосковому проводнику отрезка низкоомной линии соответствующего СВЧ-дросселя, причем длина отрезков низкоомной и высокоомной линий СВЧ-дросселей, расстояние от первого конца полоскового проводника до пересечения его с первым отрезком волноводно-щелевой линии, а также расстояние между короткозамкнутыми концами первого и второго отрезков волноводно-щелевой линии равны четверти длины волны на частоте сигнала гетеродина.

В предлагаемой конструкции балансного смесителя его электродинамическая схема решена таким образом, что позволяет использовать в трактах информационного и гетеродинного сигналов один и тот же тип линии передачи, а именно одностороннюю волноводно-щелевую линию, ребра отрезков которой установлены в одной плоскости и выполнены на одной стороне подложки. Полосковая же часть электродинамической схемы смесителя выполняется на другой стороне подложки, свободной от металлизации волноводно-щелевой линии. Такое решение позволяет упростить получение надежности СВЧ-контакта между ребрами волноводно-щелевой линии и стенками волновода, путем изготовления диэлектрической подложки с шириной, равной высоте используемого волновода, и выполнения ребер волноводно-щелевой линии, выступающими за площадь подложки в виде металлических мембран. С помощью последних плата гибридно-интегральной схемы смесителя закрепляется между двух половин его корпуса, при этом отпадает необходимость использования волноводных СВЧ-дросселей, как в случае с прототипом. Тем самым достигается как упрощение конструкции смесителя, так и надежный СВЧ-контакт между ребрами волноводно-щелевой линии и стенками волновода. Последнее позволяет полностью исключить паразитное излучение информационного и гетеродинного сигналов, а следовательно, снизив погонные потери в отрезках волноводно-щелевой линии, снизить и потери преобразования смесителя. Кроме того, в предлагаемом балансном смесителе, первый полосковый проводник не соединен с широкой стенкой волновода, что позволяет упростить цепи сигналов разностной и гетеродинной частот. Это приводит к улучшению согласования балансного смесителя на этих частотах, а следовательно, и к снижению потерь преобразования.

Решения с подобной совокупностью отличительных признаков, необходимой для достижения поставленной цели, в рассмотренных источниках информации не обнаружены. Это позволяет считать, что решение отвечает критерию "существенных отличий".

На фиг. 1 приведен пример конструктивной реализации предлагаемого балансного смесителя КВЧ-диапазона; на фиг.2 эквивалентная схема мостового Т-соединения предлагаемого балансного смесителя.

Балансный смеситель содержит отрезок прямоугольного волновода 1, Е-плоскости которого размещена диэлектрическая подложка 2 с выполненной на ней гибридно-интегральной схемой, включающей первый отрезок волноводно-щелевой линии 3, один конец которого является входом сигнала гетеродина, другой короткозамкнут, второй отрезок волноводно-щелевой линии 4, один конец которого является входом информационного сигнала, другой короткозамкнут (границы областей волноводно-щелевой линии на второй стороне подложки указаны пунктиром). На первой стороне подложки, свободной от металлизации, волноводно-щелевой линии выполнены полосковый проводник 5, связанный с фильтром промежуточной частоты 6, два СВЧ-дросселя, включающие отрезки полосковых проводников низкоомной 7 и высокоомной 8 линий передач длиной равной четверти длины волны на частоте сигнала гетеродина. Отрезки полосковых проводников 8 одним концом короткозамкнуты на широкие стенки волновода. Два смесительных диода 9 и 10 соединены с полосковыми проводниками 5 и 7. Металлические мембраны 11 выступают за площадь подложки и представляют собой продолжение металлизации ребер волноводно-щелевой линии гибридно-интегральной схемы смесителя. Полосковый проводник 5 продольно и осесимметрично перекрывает область короткозамкнутого конца отрезка волноводно-щелевой линии 4 на расстоянии равном четверти длины волны на частоте информационного сигнала. Другой конец полоскового проводника 5 П-образно изогнут, ориентирован вдоль волновода и пересекает под прямым углом первый отрезок волноводно-щелевой линии 3, образуя зондовый переход с волноводно-щелевой линии на микрополосковую.

В предлагаемом балансном смесителе полосковый проводник 5, перекрывающий продольно и осесимметрично область короткозамкнутого конца второго отрезка волноводно-щелевой линии 4, полосковые проводники 7, введенных СВЧ-дросселей, образуют планарное свернутое мостовое Т-соединение, с четверть-волновым шлейфом в области соединения всех четырех плеч, и которое отлично тем, что два его противоположных плеча, в которые включены два смесительных диода 9 и 10, выполнены разомкнутыми на СВЧ; Балансный смеситель работает следующим образом. Сигнал гетеродина, распространяясь в первом отрезке волноводно-щелевой линии 3 через переход с волноводно-щелевой линии на микрополосковую линию поступает в полосковый проводник 5 и возбуждает смесительные диоды 9 и 10 синфазно. Информационный сигнал, распространяясь во втором отрезке волноводно-щелевой линии 4, возбуждает противофазно отрезок микрополосковой линии с щелью в экране и через него противофазно смесительные диоды 9 и 10. Полосковые проводники 7 и 8 обеспечивают замыкание цепей информационного, гетеродинного и разностного сигналов, а также выпрямленного тока. Разностный сигнал снимается с полоскового проводника 5 через фильтр промежуточной частоты 6.

В предлагаемой конструкции балансного смесителя использование только одного типа линии передачи при переходе от волновода к мостовому соединению смесителя, а именно, односторонней волноводно-щелевой линии как в тракте информационного, так и в тракте гетеродинного сигналов, а также выполнение ребер обоих отрезков волноводно-щелевой линии на одной стороне диэлектрической подложки и, как следствие, в одной общей плоскости, позволяет упростить получение надежности СВЧ-контакта между металлизацией волноводно-щелевой линии и широкими стенками волновода. В этом случае можно отказаться от неэффективных волноводных СВЧ-дросселей, в то время как в прототипе, где используются как односторонняя, так и несимметричная волноводно-щелевая линии, использование СВЧ дросселей неизбежно, так как необходимо обеспечить СВЧ контакт между широкими стенками волновода и металлизациями волноводно-щелевой линий, выполненных на обеих сторонах диэлектрической подложки. Исключение волноводных СВЧ-дросселей, кроме упрощения конструкции смесителя, ведет к снижению потерь в трактах информационного и гетеродинного сигналов, а следовательно, и к снижению потерь преобразования.

Выполнение полосковой части схемы балансного смесителя на одной стороне подложки, а волноводно-щелевой на другой, позволяет упростить тракты гетеродинного и разностного сигналов. Разомкнутый на первом конце, П-образно изогнутый и ориентированный вдоль волновода полосковый проводник образует с первым отрезком волноводно-щелевой линии зондовый переход, по которому сигнал гетеродина из волновода поступает на диоды. Включенный таким образом в электродинамическую схему смесителя, зондовый переход предотвращает просачивание сигнала гетеродина на выход смесителя (сигнал гетеродина эффективно шунтируется разомкнутым микрополосковым шлейфом, являющимся частью полоскового проводника и лежащим выше первого отрезка волноводно-щелевой линии), но при этом пропускает без потерь на тот же выход сигнал разностной частоты, образующийся на диодах (сигнал разностной частоты не излучается в волновод, так как последний будет для него запредельным). Кроме того, полосковый проводник не соединяется с широкой стенкой волновода и в силу этого, а также отмеченных выше свойств, отпадает необходимость, в сравнении с прототипом, применять в смесителе разделительную емкость и компенсирующие шлейфы. Вследствие этого улучшается согласование балансного смесителя разделительную емкость и компенсирующие шлейфы. Вследствие этого улучшается согласование балансного смесителя с трактами гетеродинного и разностного сигналов, что приводит к снижению потерь преобразования смесителя и расширению его рабочей полосы частот.

В предлагаемом балансном смесителе используется планарное свернутое мостовое Т-соединение, с четвертьволновым шлейфом в области соединения всех четырех плеч, которое характеризуется тем, что смесительные диоды включаются в два его противоположных плеча, разомкнутых на концах по СВЧ. Последнее особенно важно в коротковолновой части КВЧ-диапазона. Как видно из эквивалентной схемы такого соединения, приведенной на фиг.2, оно позволяет осуществить компенсацию паразитных реактивностей диодов на частотах информационного и гетеродинного сигналов, т.е. позволяет осуществить раздельную настройку как информационного, так и гетеродинного трактов, в отличие от прототипа где это невозможно. При этом в тракте гетеродинного сигнала настройка осуществляется подбором длины отрезков полосковых проводников низкоомной линии введенных СВЧ дросселей, а в сигнальном тракте подбором длины второго отрезка волноводно-щелевой линии от плоскости включения диодов до его короткозамкнутого конца. Компенсация паразитных реактивностей диодов позволяет улучшить согласование их импедансов с волновыми сопротивлениями трактов информационного и гетеродинного сигналов и тем самым снизить потери преобразования смесителя и расширить полосу рабочих частот. Кроме того, в предлагаемом балансном смесителе используемое мостовое Т-соединение позволяет включать смесительные диоды только в один тип линии передачи микрополосковую, в отличие от прототипа, где диоды включаются между металлизациями микрополосковой и волноводно-щелевой линий передач. Это упрощает конструктивную реализацию получения низкого импеданса смесителя на гетеродинной и разностной частотах, так как разомкнутые на СВЧ-плечи мостового соединения, выполненные на микрополосковой линии передачи, одновременно являются и низкоомными звеньями введенных СВЧ-дросселей, которые эффективно шунтируют гетеродинный и информационный сигналы и играют роль короткозамыкающих поршней. С помощью высокоомных звеньев введенных СВЧ-дросселей, короткозамкнутых на широкие стенки волновода, достигается получение низкого импеданса смесителя на разностной частоте и замыкание цепи выпрямленного тока.

В предлагаемом балансном смесителе упрощается также и подача смещения на диоды. Для этого достаточно отсоединить от широкой стенки волновода отрезок высокоомной линии одного из введенных СВЧ-дросселей, и через отверстие в корпусе и дополнительно используемый низкочастотный фильтр подать смещение на оба диода сразу.

Для предотвращения просачивания гетеродинного сигнала в тракт информационного сигнала необходимо, чтобы расстояние между короткозамкнутыми концами обеих отрезков волноводно-щелевой линии было не меньше, чем четверть длины волны на частоте сигнала гетеродина.

Пример конструктивного выполнения заявляемого смесителя.

Предлагаемый балансный смеситель был изготовлен в длинноволновой части КВЧ-диапазона и содержал волновод сечением 7,2 х 4,4 мм, в Е-плоскости которого была размещена диэлектрическая подложка из плавленого кварца толщиной 0,2 мм и шириной равной размеру узкой стенки волновода. На одной стороне подложки выполнены области металлизации, образующие первый и второй отрезки волноводно-щелевой линии, причем области металлизации выступают за площадь подложки по всей ее длине в виде мембран шириной 0,5.1,0 мм. На другой стороне подложки изготовлена полосковая часть схемы балансного смесителя, которая включает полосковый проводник, соединенный на одном конце с фильтром промежуточной частоты, и полосковые проводники отрезков низкоомных и высокоомных линий введенных СВЧ дросселей. Описанная плата гибридно-интегральной схемы смесителя изготовлялась в едином технологическом цикле, разработанном на предприятии. К контактным площадкам, на концах отрезков полосковых проводников высокоомной линии СВЧ дросселей приваривались методом контактной сварки тонкие проводники, которые вместе с мембранами зажимались между двумя половинами корпуса смесителя при установке в него платы. В смесителе использовались диоды ЗА140. Изготовленный смеситель имел следующие параметры: минимально достигнутые потери преобразования 3,5.4,0 дБ, полоса рабочих частот по уровню КСВ < 2,0 в гетеродинном и информационном трактах весь волновод, полоса промежуточных частот 0.4,0 ГГц, потребная мощность гетеродина 5.10 мВт, развязка не менее 20 Дб.

Таким образом, в предлагаемом балансном смесителе КВЧ диапазона достигается заявляемый технический эффект упрощение конструкции и снижение потерь преобразования.

Формула изобретения

БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ, содержащий отрезок прямоугольного волновода, вдоль продольной оси которого в Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на которой параллельно продольной оси размещены первый отрезок волноводно- щелевой линии, первый конец которого является входом сигнала гетеродина, второй отрезок волноводно-щелевой линии, первый конец которого является входом информационного сигнала, а второй короткозамнут, и отрезок микрополосковой линии, полосковый проводник которой размещен на первой стороне диэлектрической подложки и первым концом соединен с фильтром промежуточной частоты, расположенным ортогонально широким стенкам отрезка прямоугольного волновода и соединенным с выходом промежуточной частоты, а к второму его концу присоединены первыми разнополярными электродами два смесительных диода, при этом первый конец первого отрезка волноводно-щелевой линии и первый конец второго отрезка волноводно-щелевой линии расположены на противоположных концах отрезка прямоугольного волновода, отличающийся тем, что, с целью снижения потерь преобразования в КВЧ-диапазоне, введены два полосковых дросселя, расположенных на первой стороне диэлектрической подложки симметрично щели второго отрезка волноводно-щелевой линии, каждый дроссель выполнен в виде последовательно соединенных высокоомного и низкоомного отрезков полосковой линии, при этом высокоомный отрезок соединен с соответствующей широкой стенкой, а к низкому отрезку подключен вторым электродом соответствующий смесительный диод, а металлические ребра, образующие первый и второй отрезки волноводно-щелевой линии, расположены на второй стороне диэлектрической подложки и соединены с соответствующими широкими стенками отрезка прямоугольного волновода, второй конец первого отрезка волноводно-щелевой линии выполнен короткозамкнутым и расположен на расстоянии, равном _чет/4, от короткозамкнутого конца второго отрезка волноводно-щелевой линии, при этом первый конец полоскового проводника выполнен в виде разомкнутой прямоугольной петли длиной _чет/4, расположенной симметрично относительно щели первого отрезка волноводно-щелевой линии и пересекающей его на расстоянии, равном _чет/4, от короткозамкнутого конца, а второй конец полоскового проводника расположен напротив и симметрично относительно щели второго отрезка волноводно-щелевой линии на расстоянии, равном _инф.с/4, от его короткозамкнутого конца, при этом длина высокоомного отрезка дросселя равна длине низкоомного отрезка и составляет _чет/4, где _чет-длина волны на частоте сигнала гетеродина, _инф.с- длина волны на частоте информационного сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2