ВОЛНОВОДНЫЙ БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК H03D7/14 H04B1/26 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в радиоприемных устройствах сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона, в частности, для применения в широкодиапазонных измерительных приемниках сантиметрового и, в особенности миллиметрового диапазона для переноса спектра частот принимаемого радиосигнала из области СВЧ в более низкочастотную область.

Известны волноводные балансные смесители, используемые в супергетеродинных приемниках различного назначения, причем, особого внимания заслуживают смесители с ортогональным включением гетеродинного и сигнального волноводных входов, в которых конструктивно обеспечена хорошая развязка входов, за счет различной поляризации сигнальной и гетеродинной волн [1-3].

Аналог, описанный в патенте ФРГ N 1298590, выполнен в виде двух прямоугольных волноводов (сигнального и гетеродинного) встречно-ортогонального включенных в прямоугольную смесительную камеру с симметрично, относительно волноводных входов, установленными внутри камеры смесительными диодами.

Недостатком данной конструкции является неперестраиваемая резонансная характеристика смесителя, определяемая, в основном, геометрией смесительной камеры. Эта особенность не позволяет эффективно использовать смеситель данной конструкции в широком диапазоне входных частот.

Аналог, описанный в заявке Японии N 61-49847 выполнен в виде двух прямоугольных волноводов (сигнального и гетеродинного) встречно-ортогонального состыкованных с разных сторон диэлектрической подложки, содержащей полосковую структуру со смесительными диодами.

Недостатком этой конструкции также является выраженный резонансный характер основных характеристик смесителя, определяемый резонансными свойствами полосковой структуры, а также дополнительные потери входного сигнала в диэлектрической подложке.

Из известных конструкций балансных смесителей наиболее близким по технической сущности является смеситель, описанный в заявке Японии N 63-30809 по кл.H 01 D 9/06. Этот смеситель состоит из двух прямоугольных волноводных вводов сигнала и гетеродина, встречно и ортогонально включенных в прямоугольную смесительную камеру, внутри которой симметрично установлена преобразующая трапецевидная металлическая перегородка и два смесительных диода, соединенных перпендикулярно перегородке симметрично относительно ее.

Металлическая пластинчатая перегородка предназначена для преобразования основного типа волны гетеродина (в прямоугольном волноводе) в балансный тип, причем ее симметричное расположение в камере относительно гетеродинного и сигнального входов обеспечивает необходимую для балансного смесителя фазовую и амплитудную балансировку мощностей сигнала и гетеродина, поступающих на диоды.

Конструкция прототипа обладает следующими основными недостатками:
- поля сигнала и гетеродина, в плоскости включения диодов "размазаны" по сечению смесительной камеры и более менее эффективно взаимодействуют с диодами лишь в сравнительно узкой полосе частот, находящихся вблизи резонансной частоты камеры, нагруженной диодами. Эта особенность прототипной конструкции приведет к сужению частотного диапазона эффективного преобразования входного сигнала;
- в конструкции прототипа невозможно обеспечить в широком диапазоне входных частот оптимальную фазу непоглощенной диодами доли энергии сигнальной (или гетерогенной) волны, возвращающейся на диоды после отражения от ортогонального гетеродинного (или сигнального) входа.

Эта особенность конструкции вызовет существенную интерференционную неравномерность по диапазону основных характеристик смесителя, то есть приведет к увеличению потерь.

Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно, расширение диапазона рабочих частот и снижение потерь преобразования. Указанная цель достигается тем, что смеситель выполнен в виде первого и второго отрезков прямоугольного волновода встречно-ортогонально соединенных одними концами, причем преобразующая токопроводящая пластина установлена одним торцом на одной широкой стенке второго отрезка прямоугольного волновода, а в другой его широкой стенке выполнена щель, один конец которой подключен к введенному щелевому согласующему трансформатору, размещенному в первом отрезке прямоугольного волновода, другой ее конец короткозамкнут, при этом противоположный торец токопроводящей пластины подключен к общей точке смесительных диодов и лежит на продольной оси щели, к противоположным кромкам которой подключены другими электродами смесительные диоды.

Главным отличительным признаком предложенного устройства является примененная в конструкции смесителя комбинация преобразующей пластины и щелевой линии.

В прототипной конструкции смесителя пластина имеет трапециевидную форму и выполняет следующие функции:
1. расщепляет входную сигнальную волну (типа H₁₀) на две равные по мощности синфазные волны (того же типа), поступающие по участкам прямоугольных волноводных каналов, расположенных по обе стороны трапециевидной пластины, на смесительные диоды;
2. расщепляет входную гетеродинную волну (типа H₁₀) на две равные по мощности противофазные волны (того же типа) поступающие по участкам прямоугольных каналов на диоды;
3. замыкает через себя на корпус смесительной камеры общую точку смесительных диодов по постоянному току, переменному току промежуточной частоты сигнала и гетеродина.

В прототипной конструкции, части сигнала промежуточной частоты снимаемые раздельно с несоединенных между собой концов смесительных диодов, раздельно фильтруются от сверхвысокочастотных составляющих и поступают на вход суммирующей схемы, на выходе которой получается частотный спектр сигнала промежуточной частоты, соответствующий спектру балансного смешения.

Трапециевидная форма преобразующей пластины в прототипной конструкции, является единственно возможной формой обеспечивающей работу устройства. Это связано с тем, что для работы смесителя необходима хорошая развязка волноводных каналов находящихся по обе стороны преобразующей пластины, а следовательно ее достаточная протяженность.

В предложенной конструкции смесителя форма преобразующей пластины может отличаться от трапециевидной и выполняет она следующие функции:
1. Расщепляет входную сигнальную волну щелевой линии на две равные по мощности синфазные волны поступающие по щелевым линиям на смесительные диоды;
2. расщепляет входную гетеродинную волну (типа H₁₀) прямоугольного волновода на две равные по мощности противофазные волны, преобразуя их в волны щелевых линий;
3. замыкает через себя на корпус (через емкостной зазор изолированного крепления) частоту сигнала и гетеродина, образуя фильтр нижних частот для сигнала промежуточной частоты;
4. выполняет роль согласующего волноводного, реберно-щелевого трансформатора типа волн, при возбуждении противофазных волн в щелевых линиях расположенных по обе стороны преобразующей пластины;
5. образует в совокупности со щелевой линией своеобразный фильтр типов волн с эффектом направленного ответвления, что позволяет использовать в конструкции смесителя настроечный элемент - подвижную закоротку в щелевой линии.

Следует подчеркнуть, что в отличие от прототипа, применение в смесителе щелевых линий позволяет путем задания ширины щели получать практически любое требуемое для согласования со смесительными диодами волновое сопротивление, что обеспечивает возможность уменьшения потерь преобразования. Предложенная конструкция смесителя, в отличие от прототипа, не содержит резонансного объема имеющего сильную связь по полю с волноводными линиями и влияющего на диапазонную равномерность основных характеристик смесителя. Применение в смесителе подвижной закоротки в щелевой линии, позволяет дополнительно снизить потери путем отражения в нужной фазе на диоды непоглощенной доли энергии сигнала ушедшей за диоды.

На чертеже изображен предложенный волноводный балансный смеситель с частичными вырезами стенок сигнального и гетеродинного отрезков прямоугольных волноводов и открытой крышкой, для показа конструкции.

Балансный смеситель содержит сигнальный 1 и гетеродинный 2 отрезки прямоугольных волноводов, открытые концы которых соответственно включаются в волноводные тракты сигнала и гетеродина. Щелевую линию 3 (закороченную с одного конца подвижной металлической перемычкой 4), подключенную другим концом к введенному щелевому согласующему трансформатору 5, размещенному в первом отрезке прямоугольного волновода; токопроводящую преобразующую пластину 6, укрепленную одним торцом на одной широкой стенке второго отрезка прямоугольного волновода через изолирующую прокладку 10, создающую емкостной зазор между стенкой волноводного канала и преобразующей пластиной, который является фильтром нижних частот для сигнала промежуточной частоты, поступающего с общей точки смесительных диодов 8 и 9 по преобразующей пластине на коаксиальный выход 7 подключенный к тракту промежуточной частоты (ПЧ). Положение крышки 11 в закрытом состоянии показано пунктирными линиями.

Использование: изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в измерительных широкодиапазонных супергетеродинных приемниках миллиметрового диапазона в качестве волноводного балансного смесителя. Сущность изобретения: смеситель выполнен в виде встречно-ортогонально включенных первого и второго отрезков прямоугольного волновода сигнала и гетеродина, соответственно, на одной широкой стенке первого из которых установлена одним торцом токопроводящая пластина, а в другой широкой стенке выполнена щель, закороченная с одного конца и соединенная с согласующим щелевым трансформатором, размещенным во втором отрезке прямоугольного волновода. При этом противоположный торец токопроводящей пластины лежит на продольной оси щели, к противоположным кромкам которой подключены одними электродами два смесительных диода, другими электродами подключенные к противоположным поверхностям токопроводящей пластины. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Волноводный балансный смеситель, содержащий встречно-ортогонально включенные и расположенные на одной продольной оси первый и второй отрезки прямоугольного волновода, одни концы которых являются входами сигнала и гетеродина соответственно, преобразователь в виде токопроводящей пластины, которая лежит в плоскости продольной оси и к противоположным поверхностям которой одними электродами подключены два смесительных диода, установленные на оси, перпендикулярной токопроводящей пластине, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот и уменьшения потерь преобразования, первый и второй отрезки прямоугольного волновода соединены другими концами, токопроводящая пластина установлена одним торцом на одной широкой стенке второго отрезка прямоугольного волновода, а в другой его широкой стенке выполнена щель, один конец которой подключен к введенному щелевому согласующему трансформатору, размещенному в первом отрезке прямоугольного волновода, другой ее конец короткозамкнут, при этом противоположный торец токопроводящей пластины лежит на продольной оси щели, к противоположным кромкам которой подключены другими электродами смесительные диоды. 2. Смеситель по п.1, отличающийся тем, что токопроводящая пластина установлена с изоляцией по постоянному току и к ней подключен тракт промежуточной частоты.