СУБГАРМОНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1995 года по МПК H04B1/26 H03D7/02 H01P3/123 

Изобретение относится к технике СВЧ, в частности к волноводным преобразователям частоты с субгармонической накачкой. Такие преобразователи частоты характеризуются использованием сигнала гетеродина, частота которого в 2n (где n целое число) раз ниже частоты информационного сигнала, и находит применение в устройствах миллиметрового и субмиллиметрового диапазона длин волн, где существуют известные трудности создания надежных стабильных твердотельных гетеродинов.

При разработке субгармонических волноводных преобразователей частоты возникает ряд проблем, решение которых одновременно представляется весьма сложной, но и привлекательной задачей. К этим проблемам относятся: обеспечение малых потерь преобразования и малых потерь в тракте промежуточной частоты, обеспечение возможно большей широкополосности, уменьшение мощности гетеродина и уменьшение числа настроечных элементов.

Известен субгармонический волноводный преобразователь частоты, содержащий сигнальный и гетеродинный волноводы, а также смесительную камеру [1] В смесительной камере размещена на кварцевой подложке микрополосковая линия, одна часть которой выполняет функцию зонда для ввода сигнала, а другая фильтра низкой частоты. Нелинейный элемент, также размещенный в смесительной камере, выполнен в виде пары диодов Шоттки. В преобразователе обеспечивается хорошее разделение частот сигнала и гетеродина за счет фильтра низкой частоты, однако включение этого фильтра в тракт промежуточной частоты, а также наличие в нем протяженной линии типа stripline вносит существенные потери в этот тракт.

В преобразователе предусмотрена независимая настройка трактов сигнала и гетеродина с помощью введенных в них поршней, но в то же время наличие поршней в трактах вносит потери и ограничивает полосу рабочих частот.

Известен также субгармонический волноводный преобразователь частоты, содержащий расположенные ортогонально сигнальный и гетеродинный волноводы, а также нелинейный элемент в виде пары антипараллельных диодов, установленный в сигнальном волноводе [2]
Этот преобразователь также содержит поршни в каждом из трактов, следствием чего являются указанные выше ограничения. Кроме того, возможность перестройки частоты ограничена выполнением гетеродинного фильтра и фильтра промежуточной частоты на одной подложке.

Известен субгармонический волноводный преобразователь частоты, в котором гетеродинный и сигнальный волноводы расположены соосно и соединены между собой с помощью одноступенчатого перехода [3] Нелинейный элемент в виде пары антипараллельных диодов установлен в гетеродинном волноводе вблизи плоскости связи волноводов. В гетеродинном волноводе установлен также фильтр низкой частоты в виде тонких перегородок с центральным отверстием.

Недостатками этого преобразователя являются потери мощности сигнала, связанные с наличием индуктивной нагрузки в месте соединения сигнального и гетеродинного волноводов, и потери мощности гетеродина, обусловленные присутствием фильтра низкой частоты в гетеродинном волноводе. Кроме того, невозможность независимой настройки трактов препятствует реализации режима оптимального преобразования мощности, а диапазон перестройки ограничен параметрами фильтра низкой частоты.

Наиболее близким к изобретению является субгармонический волноводный преобразователь частоты, содержащий волноводную смесительную камеру с переменной площадью сечения [4] Из одной широкой стенки смесительной камеры волновода выступает гребень типа "fin-line", представляющий собой диэлектрическую подложку с односторонней металлизацией и расположенный в Е плоскости прямоугольного волновода. Он имеет форму, обеспечивающую совпадение размеров расположенных соосно входных сечений волноводной смесительной камеры с размерами стандартных прямоугольных сечений соответственно сигнального и гетеродинного волноводов. В части смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения, размещен нелинейный элемент в виде пары антипараллельных диодов. Диоды расположены в зазоре между вершиной гребня и низкоимпедансной площадкой, выполняющей функции фильтра низкой частоты. В части гребня, расположенной в гетеродинном тракте, со стороны другой широкой стенки волноводной смесительной камеры выполнены прорези, выполняющие функцию полосно-загружающего фильтра для сигнала, а также прорезь, выполняющая функцию согласующего элемента гетеродина. Расположенная в сигнальном тракте часть гребня также со стороны его вершины снабжена выступами, выполняющими функцию полосно-пропускающего фильтра высокой частоты, и прорезью, выполняющей функцию согласующего элемента по сигналу. Кроме того, к элементам полосно-пропускающего фильтра присоединен элемент, обеспечивающий заземление сигнала промежуточной частоты.

Субгармонический волноводный преобразователь частоты (прототип) не содержит настроечных элементов и имеет хорошие характеристики в достаточно широком частотном диапазоне: при центральной частоте диапазона 95 ГГц его рабочая полоса частот составляет 11-14 Ггц, а потери преобразования составляют 8,5-12 дБ при мощности (4-5) 16 gBm. Однако полезная полоса частот гетеродина, в которой возможна его перестройка, при указанной конфигурации элементов преобразователя частоты составляет приблизительно 3 ГГц. Эта полоса могла бы быть расширена путем смещения местоположения согласующего элемента по гетеродину в сторону диодной пары, но это повлекло бы за собой дальнейшие изменения конструкции для восстановления нарушенного этим смещением оптимального согласования по сигналу и по гетеродину. В то же время существует ряд задач, для решения которых необходима перестройка гетеродина в существенно более широком диапазоне частот. К таким задачам относятся, например, радиофизические исследования атмосферы, связанные с экологическим мониторингом, исследование параметров широкополосных антенн и др. В частности, наблюдения за линиями поглощения газов SO₂, CO₂ и О₃ в атмосфере, имеющими ширину 12 ГГц, требуют для разрешения указанных линий использование приемных трактов с соответствующим диапазоном перестройки частот.

Задачей изобретения является разработка конструкции субгармонического волноводного преобразователя частоты, пригодного для использования при выполнении упомянутых выше исследований.

Указанная конструкция при отсутствии настроечных элементов должна обеспечивать оптимальное согласование по сигналу и по гетеродину в возможно большей полосе частот при одновременном уменьшении по сравнению с прототипом потерь преобразования и потребляемой мощности гетеродина.

Для этого в субгармоническом волноводном преобразователе частоты, содержащем волноводную смесительную камеру с переменной площадью сечения и выступающим из одной из ее широких стенок внутри волновода гребнем с прямоугольным основанием, размеры расположенных соосно входных сечений волноводной смесительной камеры совпадают с размерами стандартных прямоугольных сечений соответственно сигнального и гетеродинного волноводов, в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения, между вершиной гребня и другой широкой стенкой размещен нелинейный элемент в виде пары антипараллельных диодов, который соединен с фильтром промежуточной частоты, а в части гребня, расположенной в гетеродинном тракте, сделаны прорези, выполняющие функцию полосно-заградительного фильтра, согласно изобретению гребень выполнен из материала стенок волноводной смесительной камеры и симметричен относительно параллельной узкой стенке плоскости симметрии волноводной смесительной камеры, при этом в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения, ширина гребня убывает в направлении от его основания к его вершине, а линия, соединяющая в указанной плоскости симметрии обращенные к соответствующему входному сечению волноводной смесительной камеры сторону основания гребня и его вершину, образует с прилегающей широкой стенкой волноводной смесительной камеры угол α_1,2 удовлетворяющий условию
≥ α_1,2> arctg , где h высота гребня в части волноводной камеры, имеющей минимальную площадь сечения;
λ_1,2 длина волны соответственно сигнала и излучения гетеродина в соответствующих волноводах стандартного сечения.

Гребень может быть выполнен в виде клина, у которого основанием является грань, лежащая на широкой стенке волноводной смесительной камеры. Боковые грани клина, обращенные к входным сечениям волноводной смесительной камеры, имеют форму равнобедренного треугольника, а обе другие грани форму трапеции.

Гребень в сечении, параллельном входным сечениям волноводной смесительной камеры, может иметь ступенчатый профиль.

Сущность изобретения заключается в том, что в смесительной камере предлагаемого субгармонического волнового преобразователя частоты обеспечиваются одинаково хорошие условия для распространения сигнала и излучения гетеродина. Указанные форма и материал гребня позволяют исключить подстроечные элементы и свести к минимуму потери. Как показали испытания для той же центральной частоты гетеродина, диапазон его перестройки в предлагаемом субгармоническом волноводном преобразователе частоты более чем вдвое больше, а потери преобразования более чем вдвое ниже, чем в прототипе. При этом требуемая мощность гетеродина составляет 3-12 gBm.

на фиг. 1 и 2 представлены варианты субгармонического волноводного преобразователя частоты; на фиг.3 сечение А-А на фиг.1; на фиг.4 сечение Б-Б на фиг.2.

Субгармонический волноводный преобразователь частоты (фиг.1 и 2) содержит волноводную смесительную камеру 1 с переменной площадью сечения и гребнем 2, выступающим из одной из ее широких стенок 3 внутри волновода. Гребень 2 имеет в основании прямоугольник. Размеры расположенных соосно входных сечений 4 и 5 волноводной смесительной камеры 1 совпадают с размерами стандартных прямоугольных сечений соответственно сигнального и гетеродинного волноводов. В части смесительной камеры 1, имеющей минимальную площадь сечения, между вершиной гребня 2 и другой широкой стенкой 3 размещен нелинейный элемент 6 в виде пары антипараллельных диодов. Нелинейный элемент 6 соединен с фильтром 7 промежуточной частоты. В части гребня, расположенной в гетеродинном тракте, сделаны прорези, выполняющие функцию полосно-заградительного фильтра 8. Гребень 2 выполнен из материала стенок волноводной смесительной камеры 1 и симметричен относительно параллельной узкой стенке плоскости симметрии волноводной смесительной камеры 1 (фиг.1). В части волноводной смесительной камеры 1, имеющей минимальную площадь, ширина гребня 2 убывает в направлении от его основания к вершине. При этом линия, соединяющая в указанной плоскости симметрии обращенные к соответствующему входному сечению 4 и 5 волноводной смесительной камеры 1 сторону основания гребня 2 и его вершину, образует с прилегающей широкой стенкой 3 угол α_1,2 удовлетворяющий условию:
≥ α_1,2> arctgh/2 λ_1,2, где h высота гребня в части волноводной смесительной камеры 1, имеющей минимальную площадь сечения;
λ длина волны соответственно сигнала и излучения гетеродина в соответствующих волноводах стандартного сечения.

Гребень 2 может быть выполнен в виде клина, у которого основанием является грань, лежащая на широкой стенке 3 волноводной смесительной камеры 1. Боковые грани 9, обращенные к входным сечениям 4 и 5, имеют форму равнобедренного треугольника, а две другие грани 10 имеют форму трапеции.

Гребень 2 в сечении, параллельном входным сечениям 4 и 5, может иметь ступенчатый профиль.

В конкретной реализации для диапазона частот 78-115 ГГц входные сечения 4 и 5 имеют размеры соответственно 1,2 х 2,4 мм и 2,6 х 5,2 мм. Высота гребня в плоскости расположения диодов h ≈ 1,0 мм. Глубина прорезей фильтра 8 составляет примерно λ₁/4, где λ₁ средняя длина волны сигнала в рабочем диапазоне смесительной камеры. Нелинейный элемент 6 выполнен в виде соединенных антипараллельно идентичных планарных диодов.

Субгармонический волноводный преобразователь частоты работает следующим образом.

В смесительную камеру 1 с гребнем 2 через входное сечение 4 поступает сигнал с длиной волны λ₁ через входное сечение 5 излучение гетеродина с длиной волны λ₂ ≃ 2λ₁ Трансформатор волнового сопротивления, образованный частью гребня 2 и расположенный в сигнальной части смесительной камеры 1, обеспечивает минимальные потери сигнала при прохождении им тракта на нелинейный элемент 6. Гетеродинное излучение поступает на нелинейный элемент 6 через полосно-пропускающий фильтр 8, который для сигнала является полосно-заграждающим. При этом трансформатор волнового сопротивления, образованный частью гребня 2, расположенной в гетеродинной части смесительной камеры 1, обеспечивает минимальные потери излучения гетеродина. Нелинейный элемент 6 осуществляет преобразование сигнала к промежуточной частоте. Напряжение промежуточной частоты снимается через фильтр 7 с изолированного от стенок 3 камеры 1 вывод.

Использование: радиотехника СВЧ, приемные устройства. Сущность изобретения: волноводная смесительная камера имеет переменную площадь сечения и снабжена выступающим из одной из ее широких стенок гребнем с прямоугольным основанием, выполненным из материала стенок камеры и симметричным относительно параллельной узкой стенке плоскости симметрии волноводной смесительной камеры. При этом линия, соединяющая в указанной плоскости симметрии обращенные к входному сечению камеры сторону основания гребня и его вершину, образует с прилегающей широкой стенкой камеры угол α_1,2 , удовлетворяющий условию: π/2 ≥ α_1,2> arctg h/2λ_1,2, где h - высота гребня в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальное сечение λ_1,2- длина волны соответственно сигнала и излучений гетеродина в соответствующих волноводах стандартного сечения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. СУБГАРМОНИЧЕСКИЙ ВОЛНОВОДНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий волноводную смесительную камеру с переменной площадью сечения, с выступающим из одной из ее широких стенок внутри волновода гребнем с прямоугольным основанием, размеры расположенных соосно входных сечений волноводной смесительной камеры совпадают с размерами стандартных прямоугольных сечений соответственно сигнального и гетеродинного волноводов, в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения, между вершиной гребня и другой широкой стенкой размещен нелинейный элемент в виде пары антипараллельных диодов, который соединен с фильтром промежуточной частоты, а в части гребня, расположенной в гетеродинном тракте, выполнены прорези, выполняющие функцию полосно-заградительного фильтра, отличающийся тем, что гребень выполнен из материала стенок волноводной смесительной камеры и симметричен относительно параллельной узкой стенке плоскости симметрии волноводной смесительной камеры, при этом в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения, ширина гребня убывает в направлении от его основания к его вершине, а линия, соединяющая в указанной плоскости симметрии обращенные к соответствующему входному сечению волноводной смесительной камеры сторону основания гребня и его вершину, образует с прилегающей широкой стенкой волноводной смесительной камеры угол α_1,2, удовлетворяющий условию

где h высота гребня в части волноводной смесительной камеры, имеющей минимальную площадь сечения;
λ_1,2 длина волны сигнала и излучения гетеродина соответственно в соответствующих волноводах стандартного сечения. 2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что гребень выполнен в виде клина, у которого основанием является грань, лежащая на широкой стенке волноводной смесительной камеры, боковые грани, обращенные к входным сечениям волноводной смесительной камеры, имеют форму равнобедренного треугольника, а две другие грани имеют форму трапеции. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что гребень в сечении, параллельном входным сечениям волноводной смесительной камеры, имеет ступенчатый профиль.