ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО СУПЕРГЕТЕРОДИННОГО ПРИЕМНИКА СВЧ Российский патент 1997 года по МПК H04B1/26 

Изобретение относится к радиоэлектронике и может использоваться в радиоприемных устройствах сантиметрового диапазона.

Известны входные устройства супергетеродинных приемников СВЧ (Клич С.М. Проектирование СВЧ- устройств радиолокационных приемников, М. Сов. радио, 1973), состоящие из антенны, гетеродина и фильтра промежуточной частоты (ПЧ), подключенных к диодному смесителю. Конструктивная реализация компонентов известных входных устройств зависит от технических требований к радиосистеме и требует использования разнообразных технологических процессов, часто увеличивающих стоимость приемника в целом.

Аналогом изобретения является технологичное конструкторское решение (авт. св. СССР N 1758878, кл. H 04 B 1/26, опубл. 30.08.92, Бюл. N 32), позволившее одновременно минимизировать размеры и упростить конструкцию приемника. Аналог содержит печатную антенну, смеситель, гетеродин и печатную схему фильтрации ПЧ. Недостаток аналога заключается в том, что он принимает излучение лишь одной поляризации.

Прототипом изобретения является СВЧ- устройство супергетеродинного приемника (авт. св. СССР N 1626392, кл. H 04 I 1/26, опубл. 07.02.91, Бюл. N 5). Прототип содержит печатную антенну, гетеродин и печатный фильтр ПЧ, подключенные к диодному смесителю. В формировании диаграммы направленности антенны устройства-прототипа используются полосковые проводники четвертьволновых (для ПЧ) микрополосковых резонаторов печатного фильтра ПЧ на встречных стрежнях.

Недостатком прототипа является невозможность обеспечения его работы с излучением круговой поляризации. Недостаток обусловлен структурой поверхностной E волны, возбуждаемой в металлизированной диэлектрической подложке дифракционной решеткой из встречных стержней. Волны ортогональной поляризации не могут эффективно распространяться в таких структурах. Недостаток проявляется, например, при установке приемного устройства-прототипа на самолетах, ракетах, космических аппаратах, эволюция которых в пространстве может привести к потере приема из-за поляризационных замираний. Решение этой проблемы применением известных печатных антенн круговой поляризации (Полосковые платы и узлы. Проектирование и изготовление, Под ред. Е.П. Котова и В.Д. Каплуна, М. Сов. радио, 1979), (наиболее пригодных для установки на подвижных объектах), в составе входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ сопровождается либо увеличением размеров входных устройств из-за использования отдельных печатных фильтров ПЧ при сохранении единства технологии антенны и фильтра, либо приводит к необходимости использовать чужеродную технологию малогабаритных фильтров, например на поверхностных акустических волнах, весьма сложную и дорогую.

Решаемой технической задачей является обеспечение работы входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ с излучением круговой поляризации без увеличения размеров входного устройства и без использования сложных технологий его изготовления.

Ее решение обеспечивается тем, что во входном устройстве супергетеродинного приемника СВЧ, состоящем из диодного смесителя и подключенных к нему печатной антенны, гетеродина и печатного фильтра ПЧ, печатная антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки (ФАР) с излучателями из спиральных печатных проводников, расположенных на одной стороне металлизированной диэлектрической подложки, и последовательным фазированным копланарным полосковым сумматором, расположенным на другой стороне диэлектрической подложки, спиральные печатные проводники через отверстия в подложке внутренними концами соединены с полосковым проводником копланарного сумматора, а внешними концами соединены с заземленной металлизацией диэлектрической подложки, в полосковом проводнике сумматора между точками подсоединения спиральных печатных проводников выполнены поперечные разрывы, в которые включены конденсаторы, один конец полоскового проводника копланарного сумматора соединен с диодным смесителем, а второй конец полоскового проводника является выходом ПЧ устройства.

Существенными отличительными признаками изобретения являются: реализация печатной антенны в виде ФАР с излучателями из спиральных печатных проводников и последовательным полосковым копланарным сумматором, расположенными на разных сторонах металлизированной диэлектрической подложки, выполнение поперечных разрывов в полосковом проводнике сумматора между точками подключения к этому полосковому проводнику внутренних концов спиральных печатных проводников и включение в эти разрывы конденсаторов, соединение внешних концов спиральных печатных проводников с заземленной металлизацией подложки, а также использование свободного конца полоскового проводника последовательного копланарного сумматора ФАР как выхода ПЧ устройства.

На фиг. 1 изображена конструкция входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ; на фиг. 2 конструкция последовательного копланарного полоскового сумматора ФАР входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ.

Конструкция входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ (фиг. 1) состоит из диэлектрической подложки 1, на одной стороне которой расположены излучатели ФАР в виде спиральных печатных проводников 2, а на другой стороне последовательный копланарный полосковый сумматор ФАР с полосковым проводником 4 и заземленным металлическим покрытием 3. Спиральные печатные проводники 2 помимо того, что являются излучателями печатной ФАР, совместно с диэлектрической подложкой 1 и ее металлическим покрытием 3 образуют четвертьволновые резонаторы фильтра ПЧ, для чего внешние концы спиральных печатных проводников 2 через заземленную контактную площадку 16 соединены с металлическим покрытием 3 диэлектрической подложки 1, а внутренние концы через отверстия в подложке 1 соединены посредством проводников 5 с полосковым проводником 4 копланарного сумматора ФАР, и в полосковом проводнике 4 между точками подключения проводников 5 выполнены поперечные разрывы, в которые включены конденсаторы 6. Емкость конденсаторов 6 выбрана такой, что обеспечивает режим бегущей волны в копланарном полосковом сумматоре ФАР на частоте сигнала в сантиметровом диапазоне, а также осуществляет связь между описанными выше четвертьволновыми резонаторами фильтра на ПЧ в метровом диапазоне.

Количество и расположение излучателей ФАР на поверхности подложки 1 совместно с копланарным полосковым сумматором ФАР, формирующим амплитудно-фазовое распределение токов по излучателям, определяют характеристику направленности печатной антенны. Расчет ФАР приведен (в кн. Антенны и устройства СВЧ (Проектирование фазированных антенных решеток), Учебн. пособие для вузов. Под ред. Д.И. Воскресенского, М. Радио и связь, 1971).

Количество четвертьволновых резонаторов фильтра ПЧ, на фиг. 1 совпадающее с количеством излучателей, добротность резонаторов, частота их настройки, емкости конденсаторов 6, входное сопротивление условно не показанного на фиг. 1 усилителя ПЧ и выходное сопротивление диодного смесителя определяют амплитудно-частотную характеристику полосно-пропускающего фильтра ПЧ, расчет которого приведен (в кн. Маттей Д.Л. Янг Л. Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи, М. Связь. 1971).

В конструкции (фиг. 1) на поверхности подложки 1 размещен диодный смеситель, в состав которого входят диод 7, полосковые проводники 9 и 10 направленного ответвителя на связанных несимметричных полосковых волноводах для подачи мощности от гетеродина 11. Смесительный диод 7 соединен одним электродом с концом полоскового проводника 9, а вторым через заземленную контактную площадку 8 с металлическим покрытием 3. Второй конец полоскового проводника 9 через отверстие в подложке 1 подключен посредством проводника 22 к концу полоскового проводника 4 копланарного сумматора ФАР. Один конец полоскового проводника 10 соединен с согласованным с трактом резистором 14, заземленным посредством четвертьволнового (для частоты гетеродина) шлейфа с полосковым проводником 15, а второй конец полоскового проводника 10 через коаксиально-полосковый переход 13, отрезок коаксиального кабеля 12 подключен к выходу гетеродина 11.

Второй конец полоскового проводника 4 последовательного копланарного сумматора ФАР посредством проводника 21, расположенного в отверстии подложки 1, соединен с четвертьволновым (для частоты сигнала) полосковым шлейфом-проводником 17, к которому подключен конденсатор 18, соединенный через полосковый проводник 19 с коаксиально-полосковым переходом 20 конструктивным выходом ПЧ устройства.

На фиг. 1 условно не показаны источник питания гетеродина 11 и отрезок коаксиального кабеля для подключения коаксиально-полоскового перехода 20 к усилителю ПЧ, не рассматриваемому в данном изобретении.

На физ. 2 в конструкции копланарного полоскового сумматора показаны навесные проводники 23 (на фиг. 1 они не видны), подключенные к кромкам щели в металлическом покрытии 3 поперек нее; в этой щели располагается полосковый проводник 4 копланарного сумматора. Навесные проводники 23 не имеют контакта с полосковым проводником 4 и расположены под каждым спиральным печатным проводником 2 (фиг. 1) там, где его проекция пересекает щель в металлическом покрытии 3. Навесные проводники 23 препятствуют возбуждению несимметричных колебаний щели в "экране" (металлическом покрытии 3) копланарного волновода и способствуют протеканию токов по спиральным печатным проводникам 2 излучателей ФАР.

При расчете конструкции спиральных печатных излучателей, возбуждаемых в центре, принято считать, что активно излучает тот виток спирального печатного проводника 2, длина которого приблизительно равна длине волны сигнала в полосковом волноводе для конкретного материала диэлектрической подложки 1, следовательно длина внутренних витков должна быть меньше этой длины волны для верхней частоты рабочего диапазона ФАР, а длина внешних витков должна превышать длину волны полоскового волновода на низшей частоте диапазона. Возможно дальнейшее увеличение количества внешних витков без отрицательного влияния на свойства спиральных излучателей в рабочем диапазоне с тем, чтобы обеспечить нужную низкую ПЧ входного устройства супергетеродинного приемника СВЧ. Это не сопровождается увеличением размеров входного устройства, так как для нормальной работы ФАР кромки "экрана" должны располагаться не ближе половины длины волны от эффективно излучающего витка спирального излучателя, и для размещения 2.4 дополнительных "не излучающих" внешних витков нет необходимости увеличивать расстояние между излучателями ФАР, находящееся обычно в интервале от 0,5 до 1 рабочей длины волны.

Индуктивной связью между спиральными резонаторами на ПЧ можно пренебречь из-за близости "экрана", значительно уменьшающего индуктивность плоских печатных спиральных проводников, либо учесть при оптимизации фильтра ПЧ по формулам, приведенным (в кн. Калантаров П.Л. Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Справочная книга, Л. Энергоатомиздат, 1986).

Расчет параметров полосковых и копланарных волноводов, используемых в конструкции (на фиг. 1), описан, например, в книге (Денисов Д.С. и др. Полосковые линии сверхвысоких частот, Под ред. В.М.Седых, Харьков, Вища школа, 1974).

Излучение сантиметрового диапазона (частота сигнала f_c) с круговой поляризацией падает из верхнего полупространства на поверхность диэлектрической подложки 1 и возбуждает токи в расположенных на ней печатных спиральных проводниках 2, распространяющиеся (при надлежащем выборе направления закручивания спиралей) к центру спиральных печатных проводников 2 так, как это происходит в несимметричной полосковой линии с "экраном" в виде металлического покрытия 3. Через отверстия в подложке 1 эти токи по проводникам 5 достигают полоскового проводника 4 последовательного копланарного сумматора, волновые сопротивления отрезков которого обеспечивают режим бегущей волны и суммирование токов от всех излучателей ФАР в направлении сигнального входа диодного смесителя. Конденсаторы 6 не препятствуют протеканию токов с частотой f_c. Достигнув отверстия с проводником 22, токи копланарного волновода преобразуются в токи полоскового волновода с полосковым проводником 9 на сигнальном входе диодного смесителя.

Мощность от гетеродина 11 (частота f_г) через отрезок коаксиального кабеля 12, коаксиально-полосковый переход 13 и направленный ответвитель на связанных полосковых волноводах с полосковыми проводниками 10 и 9 также поступает на смесительный диод 7. Остальная часть мощности гетеродина 11 рассеивается на резисторе 14 и практически не излучается ФАР.

Низшая из комбинационных частот, возникших на нелинейном сопротивлении диода 7 промежуточная частота оказывается в конструкции (фиг. 1) подключенной к входу полосно-пропускающего фильтра ПЧ, в состав которого входят четвертьволновые (для ПЧ) полосковые резонаторы со спиральными печатными проводниками 2, каскадно-соединенные посредством проводников 5 и отрезков полосковых проводников 4 через конденсаторы 6. Последний (от смесителя) резонатор фильтра ПЧ через проводник 5, высокоомный отрезок полоскового проводника 4 (фиг. 2), проводник 21 в отверстии подложки 1, четвертьволновый (для частоты сигнала) полосковый фильтр нижних частот с полосковым проводником 17, конденсатор 18 и полосковый проводник 19 подключены к коаксиально-полосковому переходу 20, сюда, на выход устройства, и проходит отфильтрованный сигнал ПЧ.

Решение технической задачи обеспечения работы входного устройства супергетеродинного приемника с излучением круговой поляризации без увеличения размеров входного устройства и без использования чужеродных сложных технологий объясняется тем, что спиральные печатные проводники 2 излучателей, воспринимающих поле круговой поляризации, работают также как элементы фильтра ПЧ. Несколько таких излучателей, образующих ФАР, позволили создать фильтр с несколькими резонансными элементами. Таким образом, сужая диаграмму направленности ФАР, можно одновременно повышать избирательность приемника по соседнему каналу. Размеры печатного фильтра ПЧ не увеличивают размеры подложки собственно ФАР. Технологический процесс изготовления печатного фильтра ПЧ совпадает с технологическим процессом изготовления печатной ФАР и полоскового смесителя.

Отметим, что целесообразно в конструкции (фиг. 1) применять печатные гребенчатые конденсаторы. Возможно использовать балансные смесители. Разумно выполнить конструкцию гетеродина в полосковом исполнении на общей подложке 1.

Применение изобретения дает экономический эффект.

Отсутствие избирательности по зеркальному каналу и отказ от экранирования тракта ПЧ в рассмотренной конструкции следует рассматривать как недостаток лишь с учетом конкретной электромагнитной обстановки.

На момент подачи заявки реализация технического решения находится на этапе проведения расчетов и испытания элементов конструкции для диапазона 5.7 ГГц с четырехэлементной ФАР на подложке из полиэтилена толщиной 2 мм.

Входное устройство супергетеродинного приемника СВЧ относится к радиоэлектронике, приемным устройствам сантиметрового диапазона. Решена задача упрощения конструкции и уменьшения размеров входного устройства, принимающего излучение круговой поляризации и преобразующего его в промежуточную частоту (ПЧ). Входное устройство содержит печатную антенну в виде фазированной антенной решетки (ФАР) из спиральных печатных проводников с последовательным копланарным полосковым сумматором на металлизированной диэлектрической подложке, диодный смеситель, гетеродин и печатный фильтр ПЧ. Особенность конструкции заключается в том, что в полосковом проводнике копланарного сумматора между точками подключения внутренних концов спиральных печатных проводников излучателей выполнены разрывы, в которые включены конденсаторы, внешние концы спиральных печатных проводников соединены с металлизацией диэлектрической подложки. На ПЧ такая структура является полосно-пропускающим печатным фильтром ПЧ, причем выходом устройства является второй конец полоскового проводника копланарного сумматора ФАР; первый конец полоскового проводника подключен к смесителю. 2 ил.

Входное устройство супергетеродинного приемника СВЧ, состоящее из диодного смесителя и подключенных к нему печатной антенны, гетеродина и печатного фильтра промежуточной частоты, отличающееся тем, что печатная антенна выполнена в виде фазированной антенной решетки с излучателями из спиральных печатных проводников, расположенных на одной стороне металлизированной диэлектрической подложки, и последовательным фазированным копланарным полосковым сумматором, расположенным на другой стороне диэлектрической подложки, спиральные печатные проводники внутренними концами через отверстия в диэлектрической подложке соединены с полосковым проводником копланарного сумматора, а внешними концами соединены с заземленной металлизацией диэлектрической подложки, в полосковом проводнике копланарного сумматора между точками подсоединения спиральных печатных проводников выполнены поперечные разрывы, в которые включены конденсаторы, один конец полоскового проводника копланарного сумматора подключен к диодному смесителю, а второй конец полоскового проводника является выходом промежуточной частоты устройства.