СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОИЗВОЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СВЧ-СИГНАЛОВ Российский патент 1994 года по МПК H01P1/161 

Изобретение относится к электронике СВЧ, а именно к малошумящим радиометрическим и радиолокационным приемным устройствам СВЧ-диапазона с супергетеродинным преобразованием произвольно поляризованных сигналов.

Перед авторами стояла задача создания простой, компактной конструкции супергетеродинного преобразователя произвольно поляризованных сигналов (СПППС) для радиометра СВЧ-диапазона, обладающего при минимальной стоимости и габаритах достаточно высокой чувствительностью.

В СВЧ-диапазоне СПППС состоят обычно из разделителя поляризаций на входе устройства, двух балансных смесителей и гетеродинного генератора со схемой разводки. Известно несколько типов разделителей поляризаций. Например, описан разделитель объединенный с полосовыми фильтрами, представляющий собой прямой полый круглый либо квадратный волновод, закороченный с одной стороны и имеющий ответвления для вывода отфильтрованных СВЧ-сигналв. Сигнал, поступающий по полому волноводу, разделяется на две ортогональные поляризации с помощью двух ортогонально ориентированных расположенных друг за другом металлических пластин, в которых сформированы планарные схемы полосовых фильтров на основе волноводно-щелевой линии и переходы к полому волноводу. Вывод сигналов СВЧ осуществляется через волноводные, либо коаксиальные переходы сформированные на той же пластине. Недостатком этого технического решения применительно к возможности создания на его основе СПППС является сложная конструкция цепей подачи гетеродинного сигнала и снижение чувствительности из-за потери мощности принимаемого сигнала в боковых ответвлениях волновода.

Известно также большое число разнообразных планарных балансных смесителей, общим недостатком которых является то, что они преобразуют сигналы только одной определенной поляризации.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение, принятое за прототип.

Описан СПППС, состоящий из разделителя поляризаций на основе круглого волновода двух балансных смесителей в планарном исполнении и гетеродинного генератора на диоде Ганна со схемой разводки в составе специализированной РЛС 3-мм диапазона длин волн.

Недостатками прототипа являются сложность конструктивного исполнения из-за наличия отдельных разделителя поляризаций и делителя гетеродинной мощности, а также волноводных линий передачи между разделителем поляризаций и балансными смесителями, между смесителями и гетеродинным генератором: ухудшение чувствительности за счет потерь, вносимых в полезный сигнал разделителем поляризаций и волноводными линиями передачи сравнительно большие габариты и масса устройства.

Целью изобретения является упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов, улучшение чувствительности и повышение точности определения угловых координат плоскости поляризации входного сигнала супергетеродинного преобразователя произвольно поляризованных сигналов СВЧ-диапазона.

Для достижения цели по оси полого круглого металлического волновода друг за другом во взаимно перпендикулярных плоскостях размещены две планарные схемы балансных смесителей со встречным расположением сигнального и гетеродинного входов, и к торцу круглого волновода подсоединен гетеродинный генератор на основе прямоугольного волновода с переходом от прямоугольного волновода к круглому, причем Е-плоскость прямоугольного волновода наклонна под углом около 45^о к плоскостям планарных схем смесителей, а место стыковки круглых волноводов оснащено механизмом плавного поворота их друг относительно друга вокруг общей оси. По сравнению с прототипом заявляемая конструкция отличается существенно меньшими габаритами, простотой исполнения, улучшенными электрическими параметрами за счет совмещения в одном компактном конструктивном узле функции разделителя поляризаций и двух супергетеродинных преобразователей, что позволило уменьшить габариты СПППС, упростить его конструкцию и улучшить чувствительность. Кроме того, наличие механизма плавной подстройки плоскости поляризации гетеродина позволяет повысить точность определения угловых координат плоскости поляризации входных произвольно поляризованных сигналов, что дает возможность значительно повысить эффективность распознавания целей в радиолокации.

Принцип действия предложенного СПППС поясняется на примере конструкции, изображенной на чертеже.

СППС состоит из прямого полого круглого металлического волновода 1, двух одинаковых, ортогонально ориентированных планарных схем 2, 3, расположенных друг за другом по оси волновода во взаимно перпендикулярных плоскостях, со сформированными на них рисунком металлизации гибридно-интегральными схемами балансных смесителей, каждый из которых имеет встречное расположение сигнального 7 и гетеродинного 8 входов: гетеродинного генератора на основе прямоугольного волновода 4, подсоединенного посредством перехода с прямоугольного на круглый волновод 5 к торцу круглого волновода 1 со стороны гетеродинных входов 8 смесителей 3, 2, причем в месте стыковки узлов 1 и 5 предусмотрен механизм 6 плавного поворота круглых волноводов друг относительно друга. На чертеже также показаны выводы 9 промежуточной частоты смесителей.

Устройство работает следующим образом. Поступающий с входа по волноводу 1 сигнал произвольной поляризации разделяется плавными схемами смесителей 2, 3 на два ортогональных линейно поляризованных сигнала, одновременно преобразуемых соответствующими смесителями в сигнал промежуточной частоты. Необходимый для супергетеродинного преобразования линейно поляризованный гетеродинный сигнал от генератора на диоде Ганна (ГДГ) с выходным фланцем в виде стандартного прямоугольного волновода 4 поступает через переход 5, волновод 1 на гетеродинные входы смесителей 3 и 2 соответственно. Для того, чтобы мощность гетеродина делилась между двумя смесителями приблизительно поровну, плоскость поляризации сигнала гетеродина повернута к плоскостям планарных схем смесителей под углом около 45^о. Таким образом в компактной конструкции СПППС одновременно выполняются требования разделения поляризации принимаемого сигнала, деления сигнала гетеродинного генератора на два смесителя и преобразования принимаемого сигнала в сигнал промежуточной частоты с минимальными вносимыми потерями в сигнальный тракт и потерями мощности гетеродинного сигнала.

Кроме того, для решения некоторых задач радиолокации, требующих точного определения угловых координат произвольно поляризованного сигнала, необходимо иметь идентичные потери преобразования сигналов двух ортогональных поляризаций. Из-за неизбежного технологического разброса параметров смесителей для решения поставленной задачи необходим элемент выравнивания потерь преобразования смесителей 2, 3 друг относительно друга. Для компенсации неидентичности параметров смесителей, а также неизбежных потерь гетеродинной мощности для дальнего смесителя 2, в месте стыковки круглых волноводов предусмотрен механизм 6 плавного поворота круглых волноводов друг относительно друга вокруг общей оси, что дает возможность регулировать долю мощности гетеродина, поступающую к каждому смесителю. Используя зависимость потерь преобразования смесителей от мощности гетеродина, в результате плавного вращения плоскости поляризации гетеродинного сигнала потери преобразования обоих смесителей выравниваются.

Экспериментальное воплощение предложенного технического решения было осуществлено в НПО "Поиск". В 3-мм диапазоне длин волн были получены потери преобразования смесителей 7 - 8 дБ в полосе 2 ГГц при приеме сигналов в обеих поляризациях. Это соответствует шумовой температуре 800 К при использовании предварительного усилителя на биполярных транзисторах с шумовой температурой 200 К. Смесители были выполнены по гибридно-интегральной технологии на базе волноводно-щелевых линий передачи и диодов с барьером Шотки с балочными выводами в качестве активных элементов. Источником гетеродинного генератора являлся генератор на диоде Ганна, работающий на второй гармонике, мощностью около 20 мВт.

Экономическая эффективность предложенного технического решения в сравнении с прототипом связана с существенным упрощением и удешевлением конструкции СПППС при обеспечении шумовой температуры на входе устройства 800 К для обоих поляризационных каналов по сравнению с 850-1050 К у прототипа.

Использование: в малошумящих радиометрических и радиолокационных устройствах СВЧ-диапазона с супергетеродинным переобразованием произвольно поляризованных сигналов. Сущность изобретения: устройство содержит разделитель поляризации, выполненный на отрезке круглого волновода, по оси которого во взаимно перпендикулярных плоскостях последовательно установлены две планарные структуры балансных смесителей на диэлектрических подложках. К гетеродинному входу одного из балансных смесителей подсоединен сигнальный вход другого. К выходному концу отрезка круглого волновода через волноводный переход подсоединен прямоугольный волновод гетеродинного генератора. Е - плоскость прямоугольного волновода образует угол 45° с плоскостями каждой планарной структуры балансных смесителей. В плоскости соединения отрезка круглого волновода и волноводного перехода установлен механизм плавного их поворота относительно друг друга. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СУПЕРГЕТЕРОДИННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПРОИЗВОЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ СВЧ-СИГНАЛОВ, содержащий разделитель поляризации с отрезком круглого волновода, два идентичных балансных смесителя планарной структуры на диэлектрических подложках и гетеродинный генератор, отличающийся тем, что, с целью упрощения конструкции, уменьшения габаритов и снижения потерь преобразования, по оси отрезка круглого волновода во взаимно перпендикулярных плоскостях последовательно установлены планарные структуры балансных смесителей, к гетеродинному входу одного из которых подсоединен сигнальный вход другого, а к выходному концу отрезка круглого волновода через волноводный переход подсоединен прямоугольный волновод гетеродинного генератора, при этом Е-плоскость прямоугольного волновода образует угол 45^о с плоскостями каждой планарной структуры балансных смесителей. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения угловых координат плоскости поляризации принимаемого сигнала, в плоскости соединения отрезка круглого волновода и волноводного перехода установлен механизм плавного их поворота друг относительно друга вокруг продольной оси.