ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H04B1/26 H03D7/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для преобразования частоты в радиоприемной и радиоизмерительной технике УВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Известен двойной балансный смеситель, описанный в патенте США N 3652941, кл. Н 04 В 1/06, 1972.

Смеситель имеет корпус, внутри которого находится диэлектрическая подложка. Три коаксиальные разъема закрепляются снаружи на трех сторонах корпуса. Первый и второй разъемы служат в качестве входных клемм и любой из них может быть использован для подачи сигнала гетеродина или входного сигнала. Третий разъем предназначен для вывода сигнала промежуточной частоты. Четыре полупроводниковых диода, соединенных по кольцевой схеме, образуют диодный мост, расположенный внутри отверстия в подложке.

Первый симметрирующий трансформатор, состоящий из двух металлических полосок, расположенных на каждой стороне диэлектрической подложки, включен между сигнальным коаксиальным входом и первой диагональю диодного моста.

Первая и вторая дроссельные катушки включены между диодным мостом и выходным соединением промежуточной частоты. Второй симметрирующий трансформатор, состоящий из двух металлических полосок, расположенных на каждой стороне диэлектрической подложки, включен между коаксиальным входом гетеродина и второй диагональю диодного моста. Третья дроссельная катушка включена между диодным мостом и корпусом. Первый и второй конденсаторы включены между вторым симметрирующим трансформатором и диодным мостом для изоляции сигнала промежуточной частоты.

Смеситель имеет следующие недостатки.

1. Высокий уровень мощности (не менее 10 мВт) сигнала гетеродина, требуемый для обеспечения работоспособности смесителя.

2. Ограничен диапазон промежуточных частот.

3. Нетехнологичность монтажа диодного моста.

Известен также двойной балансный смеситель по а.с. СССР N 1478287, кл. H 03 D 7/14, 1979. Балансный смеситель содержит диэлектрическую подложку, два отрезка микрополосковых линий передачи, отрезок щелевой линии передачи, два резистивных делителя напряжения, два фильтра промежуточной частоты и четыре полупроводниковых диода.

Данный смеситель имеет следующие недостатки.

1. Для обеспечения работоспособности смесителя требуется высокий уровень мощности (не менее 10 мВт) сигнала гетеродина.

2. Узкие диапазоны рабочих частот информационного сигнала и сигнала промежуточной частоты.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является несимметричный балансный планарный смеситель, описанный в патенте США N 4607394, опубл. 1986, кл. H 04 B 1/26.

На верхней и нижней поверхностях изоляционной подложки в смесителе установлены проводники заданной формы и электронные элементы.

Первая балансная передающая линия полосковой копланарной конструкции используется для пропускания сигналов на частоте входного сигнала.

Первая линия содержит первый и второй проводники 20, 21 (нумерация по тексту патента прототипа), установленные на верхней стороне подложки.

Вторая несимметричная передающая линия используется для передачи сигналов на частоте гетеродина и промежуточной частоты. Вторая линия содержит третий проводник 25, который сначала является токонесущим проводником несимметричной микрополосковой линии, экранный проводник которой расположен на нижней стороне подложки. Этот экранный проводник расположен лишь на части нижней стороны подложки.

По обе стороны от третьего проводника 25 (в месте пересечения с экранным проводником) расположены четвертьволновые разомкнутые шлейфы 27, 28, которые являются продолжениями четвертого и пятого проводников 22, 24, расположенных на той части верхней стороны подложки, под которой на нижней стороне подложки нет экранного проводника.

Проводник 25 продолжается как проводник 23, который расположен также на той части верхней стороны подложки, под которой нет на нижней стороне положки экранного проводника. Таким образом, четвертый 22, пятый 24 и третий проводник (на участке 23) образуют двухщелевую копланарную линию, а при помощи шлейфов 27, 28 сформирован переход от несимметричной микрополосковой линии (участок 25) к двухщелевой копланарной линии. Четвертый и пятый проводники 22 и 24 соединены с первым и вторым проводниками 20 и 21 первой балансной линии. Между точками соединения вышеперечисленных проводников и свободным концом третьего проводника (на участке 23) установлены два полупроводниковых диода 13, 14. К другому концу третьего проводника (на участке 25) подключены селектирующие цепи сигнала гетеродина и сигнала промежуточной частоты. К четвертому и пятому проводникам 22, 24 подключены фильтры цепей смещения.

Смеситель работает следующим образом. По первой балансной линии поступает входной сигнал, который проникает в двухщелевую копланарную линию, образованную четвертым и пятым проводником 22, 24 и третьим проводником (на участке 23). По входному сигналу эта линия работает в режиме стоячей волны и поэтому смеситель будет эффективно работать лишь на тех частотах входного сигнала, при которых полупроводниковые диоды 13, 14 будут находиться в точке максимума электромагнитного поля.

Через селектирующие цепи в несимметричную микрополосковую линию, образованную третьим проводником (на участке 25) и экранным проводником, расположенным на нижней стороне подложки, поступает сигнал гетеродина, который через переход, образованный четвертьволновыми шлейфами 27, 28, поступает в двухщелевую копланарную линию и по ней на полупроводниковые диоды 13, 14.

Входной сигнал взаимодействует с меняющимися под действием сигнала гетеродина проводимостями полупроводниковых диодов 13, 14. При этом образуется множество различных частотных составляющих, часть из которых проникает через переход, образованный четвертьволновыми шлейфами 27, 28, в несимметричную микрополосковую линию, где при помощи цепей селекции выделяется сигнал промежуточной частоты. Необходимо отметить, что смеситель может работать при низких уровнях мощности сигнала гетеродина, так как на полупроводниковые диоды 13, 14 подается напряжение смещения.

Основным недостатком данного смесителя является его относительная узкополосность. Так даже при оптимальном подборе конфигураций первой балансной линии и двухщелевой копланарной линии можно добиться в лучшем случае расширения диапазона рабочих частот по входному сигналу до полутора-двух октав. Переход от несимметричной микрополосковой линии к двухщелевой копланарной линии будет эффективно работать лишь на тех частотах, при которых длина шлейфов 27, 28 будет равна нечетному количеству четвертей соответствующих этим частотам длин волн. Таким образом, потенциальный диапазон рабочих частот по входу сигнала гетеродина и выходу сигнала промежуточной частоты составит одну октаву и то в том случае, если шлейфы 27, 28 будут иметь более сложную конфигурацию, чем та, которая приведена в патенте.

Следовательно, целью данного изобретения является расширение диапазона рабочих частот смесителя наряду с сохранением высокой технологичности монтажа диодов и возможности подачи напряжения смещения.

Поставленная цель достигается тем, что широкополосный параллельный балансный смеситель, содержащий два полупроводниковых диода, частотный фильтр сигнала промежуточной частоты, подключенный к первому концу расположенной на диэлектрической подложке первой микрополосковой линии, ко второму концу которой подключены катод первого и анод второго полупроводниковых диодов, вторую микрополосковую линию, являющуюся входом сигнала гетеродина, два фильтра цепей смещения, при этом токонесущие проводники микрополосковых линий расположены на первой стороне диэлектрической подложки, а на второй ее стороне нанесены экранные проводники, отличается тем, что в него введен частотный фильтр информационного сигнала, подключенный к первому концу первой микрополосковой линии, а также введены первая и вторая высокоомные симметричные двухпроводные линии и низкоомная симметричная двухпроводная линия, третий и четвертый полупроводниковые диоды, первый и второй конденсаторы, шесть токопроводящих перемычек. Первые плоские проводники симметричных двухпроводных линий расположены на первой стороне диэлектрической подложки, а вторые проводники симметричных двухпроводных линий расположены на второй ее стороне.

Анод первого и катод второго полупроводниковых диодов подключены соответственно к первым концам первых плоских проводников первой и второй высокоомных симметричных двухпроводных линий.

Катод третьего и анод четвертого полупроводниковых диодов подключены соответственно к первым концам вторых плоских проводников первой и второй высокоомных симметричных двухпроводных линий. Анод третьего и катод четвертого полупроводниковых диодов подключены к экранному проводнику первой микрополосковой линии.

Первый плоский проводник первой высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством первой токопроводящей перемычки, проходящей через первое отверстие в диэлектрической подложке, со вторым плоским проводником второй высокоомной симметричной двухпроводной линии. Первый плоский проводник второй высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством второй токопроводящей перемычки, проходящей через второе отверстие в диэлектрической подложке, со вторым плоским проводником первой высокоомной симметричной двухпроводной линии. Токонесущий проводник второй микрополосковой линии выполнен с плавно увеличивающейся шириной и соединен широким концом через первый конденсатор с первым концом первого плоского проводника низкоомной симметричной двухпроводной линии.

Экранный проводник второй микрополосковой линии выполнен с плавно уменьшающейся шириной и соединен узким концом через второй конденсатор с первым концом второго плоского проводника низкоомной симметричной двухпроводной линии. Вторые концы каждого плоского проводника низкоомной симметричной двухпроводной линии выполнены с симметричными прорезями, разделяющими низкоомную симметричную двухпроводную линию на первую и вторую дополнительные высокоомные симметричные двухпроводные линии. Первый и второй плоские проводники первой дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединены соответственно через третью и четвертую токопроводящие перемычки со вторыми концами первого и второго плоских проводников первой высокоомной симметричной двухпроводной линии.

Первый плоский проводник второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством пятой токопроводящей перемычки, проходящей через третье отверстие в диэлектрической подложке, со вторым концом второго плоского проводника второй высокоомной симметричной двухпроводной линии.

Второй плоский проводник второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством шестой токопроводящей перемычки, проходящей через четвертое отверстие в диэлектрической подложке со вторым концом первого плоского проводника второй высокоомной симметричной двухпроводной линии. К каждому плоскому проводнику низкоомной симметричной двухпроводной линии подсоединен фильтр цепи смещения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежных областей техники и явным образом не следуют из уровня техники, т.е. техническое решение имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображена конструкция смесителя (а вид с первой стороны диэлектрической подложки, б вид со второй стороны диэлектрической подложки); на фиг. 2 изображен увеличенный фрагмент конструкции смесителя (а вид с первой стороны диэлектрической подложки, б вид со второй стороны диэлектрической подложки); на фиг. 3 изображена эквивалентная схема смесителя.

Смеситель содержит первую микрополосковую линию 1, к первому концу 2 которой подключены частотный фильтр сигнала промежуточной частоты 3 и введенный частотный фильтр информационного сигнала 4, вторую микрополосковую линию 5, являющуюся входом сигнала гетеродина, токонесущий проводник 6 которой выполнен с плавно увеличивающейся шириной, а экранный проводник 7 этой линии выполнен с плавно уменьшающейся шириной. Широкий конец 8 токонесущего проводника 6 соединен через первый введенный конденсатор 9 с первым концом 10 первого плоского проводника 11 введенной низкоомной симметричной двухпроводной линии 12, а широкополосный конец 13 экранного проводника 7 соединен через введенный второй конденсатор 14 с первым концом 15 второго плоского проводника 16 низкоомной симметричной двухпроводной линии 12. Первый и второй фильтры цепей смещения 17, 18 подключены соответственно к первому и второму плоским проводникам 11, 16 низкоомной симметричной двухпроводной линии 12, вторые концы которых 19, 20 выполнены с симметричными прорезями 21, 22, разделяющими низкоомную симметричную двухпроводную линию 12 на первую и вторую дополнительные высокоомные симметричные двухпроводные линии 23, 24. Все токонесущие проводники микрополосковых линий расположены на первой стороне 25 диэлектрической подложки 26, а экранные проводники на второй стороне 27 этой подложки. Первые плоские проводники всех двухпроводных линий расположены на первой стороне 25 диэлектрической подложки 26, а вторые плоские проводники - на второй стороне 27 этой подложки.

Катод первого полупроводникового диода 28 и анод второго полупроводникового диода 29 присоединены ко второму концу 30 первой микрополосковой линии 1.

Анод введенного третьего полупроводникового диода 31 и катод введенного четвертого полупроводникового диода 32 подсоединены к экранному проводнику 33 первой микрополосковой линии 1. Анод первого полупроводникового диода 28 соединен с первым концом 34 первого плоского проводника 35 введенной первой высокоомной симметричной двухпроводной линии 36. Катод второго полупроводникового диода 29 соединен с первым концом 37 первого плоского проводника 38 введенной второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39. Катод третьего полупроводникового диода 41 присоединен к первому концу 40 второго плоского проводника 41 первой высокоомной симметричной двухпроводной линии 36. Анод четвертого полупроводникового диода 32 присоединен к первому концу 42 второго плоского проводника 43 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39.

Первый плоский проводник 35 первой высокоомной симметричной двухпроводной линии 36 соединен посредством первой токопроводящей перемычки 44, проходящей через первое отверстие 45 в диэлектрической подложке 26, со вторым плоским проводником 43 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39, первый плоский проводник 38 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39 соединен посредством второй токопроводящей перемычки 46, проходящей через второе отверстие 47 в диэлектрической подложке 26, со вторым плоским проводником 41 первой высокоомной симметричной двухпроводной линии 36.

Первый и второй плоские проводники 48, 49 первой дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии 23 соединены соответственно через третью и четвертую токопроводящие перемычки 50, 51 с вторыми концами 52, 53 первого и второго плоских проводников 35, 41 первой высокоомной симметричной двухпроводной линии 36. Первый плоский проводник 54 второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии 24 соединен посредством пятой токопроводящей перемычки 55, проходящей через третье отверстие 56 в диэлектрической подложке 26, с вторым концом 57 второго плоского проводника 43 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39, а второй плоский проводник 58 второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии 24 соединен посредством шестой токопроводящей перемычки 59, проходящей через четвертое отверстие 60 в диэлектрической подложке 26, с вторым концом 61 первого плоского проводника 38 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии 39.

Смеситель работает следующим образом.

Через частотный фильтр информационного сигнала 4 и первую микрополосковую линию 1 на полупроводниковые диоды 28, 29, 31, 32 поступает информационный сигнал, который взаимодействует с проводимостями этих диодов, изменяющимися под действием мощного сигнала гетеродина, который поступает на вторую микрополосковую линию 5. В результате этого взаимодействия образуются комбинационные частотные составляющие, которые через первую микрополосковую линию 1 поступают на диплексер, образованный частотными фильтрами информационного сигнала и промежуточной частоты 3, 4. Сигнал промежуточной частоты выделяется фильтром промежуточной частоты 3. Смеситель может работать при низких уровнях мощности сигнала гетеродина, так как на полупроводниковые диоды 28, 29, 31, 32 поданы отпирающие напряжения смещения через первый и второй фильтры цепей смещения 17, 18.

Диапазон рабочих частот смесителя по трактам сигналов промежуточной частоты и информационного сигнала расширен за счет применения только одной микрополосковой линии 1 в этих трактах, которая может работать от частот, близких к постоянному току, до частот СВЧ-диапазона, верхняя граница которых определяется длиной первой и второй токопроводящих перемычек 44, 46. Диапазон рабочих частот смесителя по входу сигнала гетеродина 5 ограничен на верхних частотах лишь длиной токопроводящих перемычек 50, 51, 55, 59, которая также определяется лишь толщиной подложки 26.

Диапазон рабочих частот смесителя на нижних частотах ограничен длиной сужающегося экранного проводника 7 второй микрополосковой линии 5, которая выбирается равной сороковой части длины волны, соответствующей требуемой нижней граничной частоте.

Используя стандартные диэлектрические подложки, можно получить двадцатикратное перекрытие частотного диапазона в тракте сигнала гетеродина. ЫЫЫ2

Использование: для преобразования частоты в радиоприемной и радиоизмерительной технике УВЧ- и СВЧ-диапазонов. Сущность изобретения: смеситель содержит диэлектрическую подложку 1, на которой расположены отрезки 2, 3, 4 микрополосковых линий передачи, частотные фильтры 7 и 8, полупроводниковые диоды 8, 12, 15, 18, отрезки высокоомных симметричных двухпроводных линий передачи 11 и 14. Первый плоский проводник 10 первого отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 11 через первую перемычку 21 соединен со вторым плоским проводником 16 второго отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 14, а первый плоский проводник 13 второго отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 13 через вторую перемычку 23 соединен со вторым плоским проводником 19 первого отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи. На диэлектрической подложке 1 расположен участок микрополосковой линии передачи 24, переходящий в симметрирующий узел. Свободные концы симметрирующего узла через первый и второй конденсаторы 27 и 30 соединены с первым и вторым плоскими проводниками 28 и 31 низкоомной симметричной двухпроводной линии передачи 29. Низкоомная симметричная двухпроводная линия передачи 29 разветвляется на первую и вторую высокоомные симметричные двухпроводные линии передачи 33 и 34. Свободные концы первого и второго плоских проводников 35 и 37 первой высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 33 соединены через третью и четвертую перемычки 36 и 38 с первым и вторым плоскими проводниками 10 и 19 первого отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 11. Концы первого и второго электродов 39 и 42 второй высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 34 соединены через пятую и шестую перемычки 41 и 44 со вторым и первым электродами 16 и 13 второго отрезка высокоомной симметричной двухпроводной линии передачи 14. Первый и второй плоские проводники 28 и 31 низкоомной симметричной двухпроводной линии передачи 29 соединены через первую и вторую катушки индуктивности 45 и 49, первую и вторую контактные площадки 47 и 50, первый и второй резисторы 48 и 51 с экранным проводником микрополосковых линий передачи 17. 3 ил.

Широкополосный параллельный балансный смеситель, содержащий два полупроводниковых диода, частотный фильтр сигнала промежуточной частоты, подключенный к первому концу расположенной на диэлектрической подложке первой микрополосковой линии, к второму концу которой подключены катод первого и анод второго полупроводниковых диодов, вторую микрополосковую линию, являющуюся входом сигнала гетеродина, два фильтра цепей смещения, при этом токонесущие проводники микрополосковых линий расположены на первой стороне диэлектрической подложки, а на второй ее стороне нанесены экранные проводники, отличающийся тем, что в него введен частотный фильтр информационного сигнала, подключенный к первому концу первой микрополосковой линии, а также введены первая и вторая высокоомные симметричные двухпроводные линии и низкоомная симметричная двухпроводная линия, третий и четвертый полупроводниковые диоды, первый и второй конденсаторы, шесть токопроводящих перемычек, причем первые плоские проводники симметричных двухпроводных линий расположены на первой стороне диэлектрической подложки, а вторые проводники двухпроводных линий на второй ее стороне, анод первого и катод второго полупроводниковых диодов подключены соответственно к первым концам первых плоских проводников первой и второй высокоомных симметричных двухпроводных линий, катод третьего и анод четвертого полупроводниковых диодов подключены соответственно к первым концам вторых плоских проводников первой и второй высокоомных симметричных двухпроводных линий, анод третьего и катод четвертого полупроводниковых диодов подключены к экранному проводнику первой микрополосковой линии, а первый плоский проводник первой высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством первой токопроводящей перемычки, проходящей через первое отверстие в диэлектрической подложке, с вторым плоским проводником второй высокоомной симметричной двухпроводной линии, первый плоский проводник второй высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством второй токопроводящей перемычки, проходящей через второе отверстие в диэлектрической подложке, с вторым плоским проводником первой высокоомной симметричной двухпроводной линии, при этом токонесущий проводник второй микрополосковой линии выполнен с плавно увеличивающейся шириной и соединен широким концом через первый конденсатор с первым концом первого плоского проводника низкоомной симметричной двухпроводной линии, экранный проводник второй микрополосковой линии выполнен с плавно уменьшающейся шириной и соединен узким концом через второй конденсатор с первым концом второго плоского пробойника низкоомной симметричной двухпроводной линии, вторые концы каждого плоского проводника низкоомной симметричной двухпроводной линии выполнены с симметричными прорезями, разделяющими низкоомную симметричную двухпроводную линию на первую и вторую дополнительные высокоомные симметричные двухпроводные линии, первый и второй плоские проводники первой дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединены соответственно через третью и четвертую токопроводящие перемычки с вторыми концами первого и второго плоских проводников первой высокоомной симметричной двухпроводной линии, первый плоский проводник второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством пятой токопроводящей перемычки, проходящей через третье отверстие в диэлектрической подложке, с вторым концом второго плоского проводника второй высокоомной симметричной двухпроводной линии, а второй плоский проводник второй дополнительной высокоомной симметричной двухпроводной линии соединен посредством шестой токопроводящей перемычки, проходящей через четвертое отверстие в диэлектрической подложке, с вторым концом первого плоского проводника второй высокоомной симметричной двухпроводной линии, кроме того, к каждому плоскому проводнику низкоомной симметричной двухпроводной линии подсоединен фильтр цепи смещения.