ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КВЧ Российский патент 1994 года по МПК H03D7/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в приемно преобразовательных устройствах КВЧ-диапазона для связи радиолокации, радиометрии и т. д.

Известен преобразовательный модуль, состоящий из малошумящего смесителя, усилителя промежуточной частоты и гетеродинного генератора. Этот модуль является простым соединением трех этих элементов в одном корпусе и гибридно-интегральные платы выполняются отдельно и независимо, поэтому интеграция элементов в таком модуле приводит к созданию довольно сложного устройства, имеющего большую массу, габариты и трудоемкость изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является преобразователь КВЧ, содержащий отрезок прямоугольногно волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды. Кроме того, на подложке установлен генераторный диод, включенный во второй щелевой отрезок, расположенный перпендикулярно копланарному отрезку, для которой в корпусе преобразователя должен быть предусмотрен второй волноводный канал, выполненный ортогонально входному сигнальному каналу. Имеются также фильтры промежуточной частоты и питания генераторного диода, а также КЗ-поршень в канале гетеродина. Таким образом, все элементы схемы выполнены на одной общей плате. Однако, так как в этом модуле топология гибридно-интегральной схемы выполнена на одной стороне диэлектрической подложки и основной тип линии - односторонняя волноводно-щелевая линия, то это приводит к росту прямых вносимых потерь и изрезанности КСВН входного и гетеродинного трактов из-за неизбежной утечки части мощности КВЧ, разной на разных частотах, в зазор между двумя половинами корпуса, где размещается диэлектрическая подложка, выступающая за волноводный канал. Физической причиной этого является принципиальная асимметрия односторонней волноводно-щелевой линии передачи в КВЧ-диапазоне из-за конечной толщины подложки ГИС, соизмеримой с размерами волновода, что приводит к возникновению составляющей поля КВЧ, способной к распространению в плоскости зазора. Кроме того, односторонняя щелевая линия не может обеспечить волнового сопротивления, оптипального для согласования линии со смесительными диодами. Так наименьшее волновое сопротивление односторонней волноводно-щелевой линии при ε= 2-4 не менее 100 Ом, а для согласования с реальными смесительными диодами КВЧ-диапазона линия должна иметь волновое сопротивление меньше (до 30-50 Ом). В конструкции прототипа все это приводит к повышенным потерям преобразования. Кроме того, в конструкции прототипа имеется сравнительно узкополосный переход в тракте гетеродинного сигнала со щелевой линии к копланарной, а корпус имеет два ортогональных волноводных канала вместо одного, что усложняет конструкцию корпуса и увеличивает габариты.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и потерь преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в известном преобразователе КВЧ, содержащем отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель, новым является то, что на другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линии, а генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр ПЧ.

На фиг. 1 показан предлагаемый преобразователь; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 2 - короткозамыкатель, предложенный специально для использования в такого типа модулях.

Схема платы ГИС, изображенная на фиг. 1 с двух разных сторон (фиг. 1 а, б), располагается в Е-плоскости волновода (фиг. 2) и содержит диэлектрическую подложку 1, на которой сформирован щелевой отрезок 2, образованный основными и дополнительными первым и вторым слоями металлизации на обеих сторонах пдложки, смесительные диоды 3, размещенные на одной стороне подложки, генераторный диод 4, фильтр 5 цепи питания диода 4, фильтр ПЧ 6, являющийся продолжением отрезка копланарной линии 7, образованного основными и дополнительными первым, вторым и третьим слоями металлизации на обеих сторонах подложки. На фиг. 1 условно изображено положение короткозамыкателя 8, а пунктирной линией показан край волноводного канала 9.

В варианте выполнения короткозамыкателя, показанном на фиг. 3, последний состоит из стержня 10, сечением примерно равным сечению волноводного канала преобразователя, и имеет прорезь в центре. При этом короткозамыкатель может быть выполнен в виде металлической вставки 10 (сечением, примерно равным сечению волноводного канала преобразователя), в которой, например в центре, выполнена продольная прорезь 11 под диэлектрическую подложку.

Преобразователь КВЧ работает следующим образом.

Принимаемый сигнал с входа двусторонней симметричой волноводно-щелевой линии поступает на переход от щелевой 2 к копланарной линии 7 к смесительным диодам 3, установленным на одной из сторон подложки ГИС, в противофазе. Сигнал гетеродина поступает к смесительным диодам 3 в фазе от гетеродинного генератора, схема которого сформирована с другой стороны подложки полуволновым резонатором, образованным отрезком копланарной линии 7 и включенным генераторным диодом 4 в центре его. Сигнал ПЧ выводится через фильтр ПЧ 6, образованный продолжением отрезка копланарной линии 8 со стороны включения смесительных диодов, а питание к генераторному диоду 4 подводится через фильтр цепи питания 5 на другой стороне подложки.

Двусторонняя симметричная волноводно-щелевая линия (ДВШЛ), образованная основным и дополнительными первым и вторым слоями металлизации, позволяет исключить или значительно уменьшить вносимые потери за счет устранения утечки мощности в зазор между двумя половинками корпуса, где размещается диэлектрическая подложка. Кроме того, устраняется изрезанность КСВН по входу и в ДВШЛ можно достичь волновое сопротивление порядка 50 Ом, что является оптимальной величиной для согласования линии со смесительными диодами. Все это позволяет существенно уменьшить потери преобразования смесителя и всего модуля. При этом за счет увеличения широкополосности тракта в связи со снижением изрезанности АЧХ у ДВШЛ расширяется полоса рабочих частот модуля.

Выполнение отрезка копланарной линии с двух сторон симметрично относительно диэлектрической подложки и делает эту линию по электродинамическим свойствам аналогичной высокодобротной микрополосковой линии передачи. Включение генераторного диода, например диода Ганна, в полуволновый отрезок этой линии позволяет создать стабильный гетеродинный генератор. Двусторонняя металлизация, кроме того, позволяет развязать по постоянному току цепи смесительных и генераторного диодов, без чего объединение смесительного и гетеродинного трактов было бы невозможно.

Двусторонняя симметричная копланарная линия передачи, обладая вмеси положительными свойствами высокодобротной микрополосковой линии, имеет преимущество - в ней сравнительно просто без снижения добротности реализуются малые волновые сопротивления порядка 50-100 Ом, что необходимо для лучшего согласования линии как со смесительными, так и с генераторным диодом.

Таким образом, применение ДВШЛ одновременно позволяет в одной конструкции модуля решить срезу несколько противоречивых задач и устранить главные принципиальные недостатки прототипа.

Предлагаемая конструкция приемного модуля КВЧ позволяет одновременно существенно упростить корпус, уменьшить объем механической обработки его в связи с наличием только одного волноводного канала и отсутствием второго ортогонально расположенного канала, что упрощает и ориентирование платы ГИС при постановке ее в корпус. Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция позволяет уменьшить потери преобразования, т. е. повысить чувствительность приемного модуля, уменьшить габариты гибридно-интегральной платы и корпуса, упростить и снизить трудоемкость изготовления корпуса и, как следствие, улучшить массогабаритные характеристики и технологичность изготовления преобразователя.

Одной из особенностей КВЧ-диапазона является сильное влияние паразитных параметров полупроводниковых приборов на характеристики схемы, в связи с чем естественный разброс параметров от прибора к прибору приводит к различию основных характеристик модулей друг от друга при идентичной топологии схемы.

Наиболее критичным параметром преобразователя модуля является центральная рабочая частота. Подстройка КВЧ-модуля посредством короткозамыкающих перемычек методом последовательных приближений требует многократной разборки модуля и является очень трудоемкой. Введение волноводного КЗ-поршня в волноводный канал с обратной стороны от сигнального входа слабо влияет на параметры модуля и требует существенного увеличения размеров корпуса. Предложено это противоречие разрешить тем, что в волноводный канал корпуса со стороны, противоположной сигнальному входу, вводится короткозамыкатель, имеющий прорезь в Е-плоскости шириной больше толщины подложки. Пример конкретного выполнения такого короткозамыкателя показан на фиг. 3, где металлическая вставка 10 сечением, примерно равным внутреннему сечению волноводного канала преобразователя, имеет в центре продольную прорезь 11. Ширина прорези выполняется несколько больше толщины подложки ГИС, что позволяет перемещать стержень в волноводном канале несмотря на наличие в Е-плоскости волновода платы ГИС. Прорезь выполняется методом искровой обработки. Эксперименты показали высокую эффективность действия такого короткозамыкателя в качестве настроечного элемента.

Предложенная конструкция опробована в ходе выполнения одной из НИР. Параметры смесительной части модуля получены на уровне мировых достижений в соответствующем диапазоне длин волн. Подтверждена работоспособность предложенной конструкции при существенно лучших массогабаритных параметрах и способности к массовому производству, чем у модулей, объединяющих смеситель и гетеродин, изготовленные независимо друг от друга. В ряде применений, где масса и габариты комплектующих элементов влияют на стоимость изделия в целом решающим образом, экономическая эффективность предложенного технического решения будет довольно высокой. (56) Mensel Wetal Integvated fin-line Components fov radow and radiometer Application Cons. Proc. Military Microwaves 82 London Englad, 1982, p. 452, fig. 5.

Использование: радиотехника КВЧ-диапазона. Сущность изобретения: преобразователь содержит отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его E-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копламарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель. На другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линий. Генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр. На другом конце отрезка прямоугольного волновода размещен дополнительный короткозамыкатель в виде металлической вставки, в которой выполнена продольная прорезь под диэлектрическую подложку, ширина прорези выбрана больше толщины подложки. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КВЧ, содержащий отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и потерь преобразования, на другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линий, а генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр ПЧ. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения настройки, на другом конце отрезка прямоугольного волновода размещен дополнительный короткозамыкатель в виде металлической вставки, в которой выполнена продольная прорезь под диэлектрическую подложку, при этом ширина прорези выбрана больше толщины подложки.