БАЛАНСНЫЙ СВЧ-СМЕСИТЕЛЬ ОРТОМОДНОГО ТИПА Российский патент 2008 года по МПК H03D7/00 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к устройствам преобразования сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний в сигналы промежуточной частоты, и может быть использовано в приемопередающей и измерительной аппаратуре.

В настоящее время существует большое конструктивное разнообразие балансных 2-диодных смесителей СВЧ ортомодного типа.

Ортомодные смесители могут быть реализованы: 1) на ортогональном сочленении двух прямоугольных волноводов [1]. Такие смесители не отвечают современным требованиям микроминиатюризации аппаратуры; 2) на волноводе с встроенной в него диэлектрической подложкой [2, 3], на которой выполнены микроминиатюрные линии передачи. Такие смесители из-за громоздкости волновода обычно применяются в коротковолновой части сантиметрового и миллиметровом диапазоне волн. В диапазоне более длинных волн применение смесителей такого типа нецелесообразно; 3) в чисто микроминиатюрном исполнении на диэлектрической подложке, на котором и сосредоточен предмет изобретения. То есть, мы ограничиваемся рассмотрением смесителей ортомодного типа, построенных исключительно на микроминиатюрных линиях передачи, выполненных на диэлектрической подложке. В этих смесителях диоды устанавливаются встык симметричной (например, щелевой) и несимметричной (например, копланарной) линий, имеющих различный тип распространяющихся в них колебаний, чем обусловливается развязка цепей гетеродина и сигнала. Энергия гетеродина и преобразуемого сигнала передается в эти линии, как правило, по микрополосковым линиям передачи с помощью соответствующих переходов.

Известен смеситель [4, рис.6b], в котором сигнал гетеродина подается на пару смесительных диодов через микрополосковую линию и симметрирующее устройство ("balun"), образующее четвертьволновый щелевой отрезок линии передачи с узкими проводниками. Преобразуемый же сигнал подается на диоды через микрополосковую линию и микрополосковый делитель мощности на два направления, выходные микрополосковые проводники которого подключены к выходам симметрирующего устройства входа гетеродина. Проводники стыкуемых линий находятся в той же плоскости, в которой расположены микрополосковые проводники входов сигнала и гетеродина, что позволяет подавать смещение на расположенные в этой же плоскости смесительные диоды. При этом обеспечивается возможность уменьшения коэффициента шума за счет снижения требуемой мощности и шумов гетеродина [5], повышения стабильности характеристик смесителя (коэффициента шума, потерь преобразования, КСВ по входам гетеродина и сигнала, выходного сопротивления по промежуточной частоте (ПЧ)) в рабочем диапазоне частот и при изменении условий эксплуатации [6]. Эти свойства являются достоинствами данной конструкции смесителя.

Развязка сигнального и гетеродинного входов обеспечивается тем, что возбуждение микрополосковых выходов делителя мощности преобразуемого сигнала гетеродинным сигналом со стороны симметрирующего устройства оказывается противофазным. Это приводит к компенсации гетеродинного сигнала в точке разветвления микрополоскового проводника делителя (эквивалентно короткому замыканию для сигнала гетеродина). Поэтому на длину микрополосковых линий делителя сигнала накладывается ограничение: она должна составлять четверть длины волны на частоте гетеродина для того, чтобы трансформировать короткое замыкание в точке разветвления делителя сигнала в холостой ход на выходе симметрирующего устройства. Согласование по входу гетеродина обеспечивается выбором длины проводников симметрирующего устройства, равной четверти длины волны на частоте гетеродина. Одновременно симметрирующее устройство не должно шунтировать выходы микрополоскового делителя мощности сигнала в месте подключения диодов. Для этого длина симметрирующего устройства должна быть равна четверти длины волны и на частоте сигнала. Очевидно, что одновременное выполнение этих двух требований к длине проводников симметрирующего устройства в принципе невозможно, особенно при высоких значениях ПЧ. По входу сигнала диоды подсоединены между концами микрополосковых проводников делителя мощности сигнала и металлизацией нижней стороны подложки (общая точка соединения диодов), для чего используются дополнительные элементы (конденсатор, перемычка или СВЧ-шлейф). Дополнительные элементы, подключаемые к указанной точке, увеличивают потери преобразования как из-за потерь на них входного сигнала, так и из-за потерь по ПЧ. Кроме того, имеет место повышенное излучение щелевой линии симметрирующего устройства в окружающее пространство из-за ширины ее проводников, значительно меньшей длины волны в линии. Это излучение вызывает частотные резонансы при корпусировании платы смесителя и из-за изменения импеданса по входу гетеродина оказывает влияние на равномерность характеристик смесителя в диапазоне частот, в частности потерь преобразования [4, рис.7].

Недостатками описанной конструкции являются:

1) повышенный коэффициент шума из-за потерь сигнала как на дополнительных элементах замыкания выводов диодов по СВЧ, так и по выводу ПЧ,

2) неравномерность характеристик смесителя в рабочем диапазоне частот из-за излучения симметрирующего устройства.

Более «элегантной» (как указано в [4, с.40]) конструкцией обладает смеситель, приведенный в [4, рис.6 с], также имеющий микрополосковые входы гетеродина и сигнала, симметрирующий четвертьволновый микрополосково-щелевой переход по входу гетеродина и, вместо делителя по входу сигнала, - микрополосково-копланарный переход. В этом смесителе проводники щелевой и копланарной линий выполнены в одной плоскости, на стороне подложки, противоположной стороне расположения микрополосковых проводников, т.е. в металлизации, соединенной с корпусом устройства. Как по входу сигнала, так и по входу гетеродина выводы диодов непосредственно, без дополнительных элементов подсоединены к концам копланарной и щелевой линий передачи, что снижает потери по сравнению с конструкцией [4, рис.6b] и является достоинством конструкции.

Недостатками данной конструкции являются:

1) неравномерность характеристик смесителя в рабочем диапазоне частот из-за излучения симметрирующего устройства в окружающее пространство,

2) повышенный коэффициент шума из-за невозможности подачи положительного смещения на смесительные диоды с целью уменьшения мощности и, следовательно, шумов гетеродина [5],

3) недостаточно высокое подавление шумов гетеродина из-за невозможности идеального совмещения осей микрополосковой и копланарной линий для достижения фазовой симметрии гетеродинных сигналов на диодах смесителя,

4) нестабильность характеристик смесителя при изменении мощности гетеродина в рабочем диапазоне частот и при изменении условий эксплуатации из-за невозможности подачи смещения на диоды [6],

5) низкая ремонтопригодность и технологичность конструкции из-за расположения диодов со стороны металлизации подложки.

Известен также смеситель ортомодного типа, выполненный на двусторонней копланарной и щелевой линиях передачи [7]. Двусторонняя копланарная линия позволяет осуществить непосредственное соединение ее центрального проводника и микрополоскового проводника входа сигнала в силу того, что они лежат на одной стороне подложки. Боковые проводники копланарной линии выполнены на другой стороне подложки и образованы путем создания щели под центральным проводником копланарной линии. Диоды смесителя подключены к концу центрального проводника копланарной линии. Гетеродинный сигнал подается по щелевой линии, соосной со щелью, образующей нижние проводники копланарной линии.

Достоинством данной конструкции является возможность подачи смещения на диоды и расположение последних со стороны микрополосковых проводников.

Недостатками являются:

1) повышенный коэффициент шума из-за потерь как на дополнительных элементах замыкания выводов диодов по СВЧ, так и по выводу ПЧ,

2) недостаточно высокое подавление шумов гетеродина и низкая технологичность конструкции из-за сложности точного совмещения осей копланарной и щелевой линий, расположенных на разных сторонах подложки.

Известен также смеситель [8], все линии передачи которого выполнены в одной плоскости подложки. Это достигается применением копланарных линий по входу сигнала, гетеродина и выходу ПЧ, а также применением одностороннего копланарно-щелевого перехода.

Главным недостатком этой конструкции является невозможность подачи смещения на смесительные диоды с вытекающими отсюда последствиями, указанными выше. Кроме того, эта конструкция предполагает ее усложнение при необходимости использования микрополосковых линий передачи, являющихся на сегодняшний день самыми распространенными в микроминиатюрной технике СВЧ.

Известен также смеситель [9], который в отличие от вышерассмотренных смесителей, является двойным балансным 4-диодным смесителем и содержит в каждом из составляющих его балансном смесителе щелевую и копланарную линии, выполненные на той стороне подложки, на которой выполнены микрополосковые проводники входов сигнала и гетеродина. При этом обеспечивается возможность подачи смещения на диоды. Однако в балансных смесителях связь копланарных линий с микрополосковыми линиями входов гетеродина и щелевых линий с микрополосковой линией входа сигнала осуществляется с помощью шлейфных микрополосково-копланарных переходов [10].

Недостаток этой конструкции заключается в том, что шлейфные переходы имеют общую полуволновую длину линий передачи, составляющих шлейф, что в конечном итоге ограничивает рабочий диапазон частот. Кроме того, переход от данной конструкции к обычному балансному смесителю предполагает использование сложного микрополосково-копланарно-щелевого перехода по входу сигнала, что приводит к увеличению коэффициента шума и уменьшению диапазона рабочих частот.

Известен также балансный СВЧ-смеситель ортомодного типа [11], содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, два микрополосковых проводника, являющиеся входами гетеродина и сигнала, расположенные на неметаллизированной стороне подложки, отрезок копланарной линии, центральный проводник которого соосен и соединен одним концом с концом первого микрополоскового проводника, между другим концом центрального проводника и боковыми проводниками отрезка копланарной линии подключены два полупроводниковых диода, соединенных последовательно по постоянному току, отрезок щелевой линии, соосный с отрезком копланарной линии, причем проводники отрезка щелевой линии образованы продолжениями боковых проводников отрезка копланарной линии, конец отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала соединен по СВЧ со вторым микрополосковым проводником.

Отрезки копланарной и щелевой линий этого смесителя выполнены в металлизации подложки, эквипотенциальной с корпусом устройства. При этом выводы диодов, присоединяемые к боковым проводникам отрезка копланарной линии гальванически соединены с корпусом устройства, что не позволяет подавать на диоды напряжение смещения. Сигнал гетеродина подается на диоды через микрополосково-копланарный переход, примененный в конструкции [4, рис.6с], а преобразуемый сигнал - через двусторонний микрополосково-щелевой переход. По конструкции и характеристикам этот балансный 2-диодный смеситель является ближайшим аналогом заявляемого смесителя и выбран за его прототип.

Известное устройство (фиг.1) содержит диэлектрическую подложку 1, одна сторона 2 которой металлизирована, два микрополосковых проводника 3 и 4 входа гетеродина и сигнала соответственно (входы сигнала и гетеродина можно поменять местами, это не имеет принципиального значения для рассмотрения данной заявки), расположенные на неметаллизированной стороне 5 подложки 1, отрезок копланарной линии, соосный с первым микрополосковым проводником 3 и состоящий из центрального проводника 6 и боковых проводников 7 и 8, причем конец проводника 6 соединен с концом проводника 3 с помощью перемычки 9 через отверстие в подложке 1, между другим концом центрального проводника 6 и боковыми проводниками 7, 8 отрезка копланарной линии подключены два полупроводниковых диода 10, 11, соединенных последовательно по постоянному току, отрезок щелевой линии 12, соосный с отрезком копланарной линии 6, 7, 8, причем проводники 13 и 14 отрезка 12 щелевой линии образованы продолжениями боковых проводников соответственно 7 и 8 отрезка копланарной линии, а конец отрезка 12 щелевой линии со стороны входа сигнала соединен по СВЧ со вторым микрополосковым проводником 4. Отрезок 6, 7, 8 копланарной линии и отрезок 12 щелевой линии выполнены на металлизированной стороне 2 подложки 1. На второй 5 и первой 2 сторонах подложки 1 выполнены ортогонально пересекающиеся разомкнутый и короткозамкнутый на конце четвертьволновые отрезки соответственно микрополосковой 15 и щелевой 16 линий, образующих микрополосково-щелевой переход 17 по входу сигнала, причем отрезки 15 и 16 являются продолжениями линий 4 и 12 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

Гетеродинный сигнал поступает на диоды 10 и 11 через микрополосковый проводник 3, перемычку 9 и копланарный отрезок 6, 7, 8 и возбуждает в диодах токи гетеродинной частоты в противофазе (см. направление векторов электрического поля, показанных пунктирными стрелками на фиг.1). Входной сигнал поступает на диоды 10 и 11 через микрополосковый проводник 4, переход 17 и щелевой отрезок 12 и возбуждает в диодах 10 и 11 синфазные токи сигнальной частоты. Напряжение промежуточной частоты возникает в точке соединения между собой диодов 10 и 11 относительно боковых проводников 7, 8 копланарного отрезка, которые эквипотенциальны друг с другом и с корпусом устройства, к которому металлизация подложки 1 присоединена гальванически как по промежуточной частоте, так и по постоянному току. Таким образом, выводы диодов 10 и 11, подсоединенные к проводникам 7 и 8, оказываются накоротко соединенными друг с другом по постоянному току и с корпусом устройства. Развязка входов сигнала и гетеродина обеспечивается отличием типов колебаний в симметричной (щелевой) и несимметричной (копланарной) линиях.

Недостатками прототипа являются:

1) повышенный коэффициент шума смесителя. Первая причина - большая требуемая мощность и, следовательно, шумы гетеродина, которые не удается снизить путем подачи смещения [5] вследствие присоединения выводов диодов к боковым проводникам отрезка копланарной линии, гальванически связанным с корпусом устройства. Так требуемая мощность гетеродина для смесителя-прототипа составляет несколько десятков милливатт (35 мВт по статье [11]). Второй причиной повышенного коэффициента шума смесителя-прототипа является недостаточно высокое подавление шумов гетеродина из-за недостаточной фазовой симметрии гетеродинных сигналов на диодах смесителя вследствие невозможности идеального совмещения осей линий передачи, по которым сигнал гетеродина подается на диоды смесителя, - микрополоскового проводника входа гетеродина и копланарного отрезка, находящихся на разных сторонах подложки; кроме того, полоса рабочих частот прототипа по входу гетеродина ограничивается индуктивностью перемычки, соединяющей микрополосковый проводник с центральным проводником отрезка копланарной линии;

2) нестабильность параметров смесителя при изменении мощности гетеродина в рабочем диапазоне частот и при изменении условий эксплуатации из-за невозможности подачи смещения на смесительные диоды через соответствующие цепи стабилизации [6];

3) ограниченность рабочего диапазона частот по входу сигнала из-за узкополосности микрополосково-щелевого перехода, в котором применены два четвертьволновых отрезка;

4) низкая технологичность и ремонтопригодность конструкции из-за необходимости точного совмещения расположенных по разные стороны подложки микрополоскового проводника входа гетеродина и отрезка копланарной линии, а также микрополоскового проводника входа сигнала и щелевой линий в области микрополосково-щелевого перехода, а также из-за расположения диодов со стороны металлизации подложки.

Задача, которая решается изобретением, заключается в разработке смесителя, в котором перечисленные выше недостатки практически отсутствуют.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в преобразовании СВЧ-сигналов широкого диапазона частот с малым коэффициентом шума при одновременном обеспечении стабильности параметров смесителя. Кроме того, повышается технологичность изготовления и ремонтопригодность конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в балансном смесителе ортомодного типа, содержащем диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, два микрополосковых проводника, являющихся входами гетеродина и сигнала и расположенных на неметаллизированной стороне подложки, отрезок копланарной линии, соосный с первым микрополосковым проводником и центральный проводник которого соединен одним концом с концом первого микрополоскового проводника, между другим концом центрального проводника и боковыми проводниками отрезка копланарной линии подключены два полупроводниковых диода, соединенных последовательно по постоянному току, отрезок щелевой линии, соосный с отрезком копланарной линии, причем проводники отрезка щелевой линии образованы продолжениями боковых проводников отрезка копланарной линии и конец отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала соединен по СВЧ со вторым микрополосковым проводником, - отрезки и копланарной и щелевой линий выполнены на неметаллизированной стороне подложки, в металлизации подложки под отрезками копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно, центральный проводник отрезка копланарной линии соединен с концом первого микрополоскового проводника непосредственно, в одной плоскости, торцы боковых проводников отрезка копланарной линии со стороны входа гетеродина перпендикулярны оси этого отрезка и соединены с металлизацией подложки с помощью конденсаторов через отверстия в подложке, оси второго микрополоскового проводника и отрезка щелевой линии параллельны друг другу и один из краев второго микрополоскового проводника расположен на одной прямой с краем щели отрезка щелевой линии, образованным первым проводником последнего, при этом конец второго микрополоскового проводника непосредственно примыкает к торцу первого проводника отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала, торцы проводников отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала перпендикулярны оси этого отрезка и соединены с металлизацией подложки, причем торец первого проводника отрезка щелевой линии соединен с металлизацией подложки с помощью конденсатора через отверстие в подложке на расстоянии λ/4 от оси второго микрополоскового проводника, где λ - длина волны в двусторонней щелевой линии передачи, образованной торцом первого проводника отрезка щелевой линии и соответствующим краем прямоугольного окна, а торец второго проводника отрезка щелевой линии соединен с металлизацией подложки посредством перемычки через отверстие в подложке непосредственно у края щели.

Уменьшение коэффициента шума смесителя за счет снижения необходимой мощности и, следовательно, шумов гетеродина достигается путем создания возможности подачи смещения на смесительные диоды, а именно:

отрезки копланарной и щелевой линий выполнены на неметаллизированной стороне подложки;

торцы боковых проводников отрезка копланарной линии со стороны входа гетеродина и торец первого проводника отрезка щелевой линии соединены с металлизацией подложки, гальванически соединенной с корпусом устройства, с помощью конденсаторов через отверстия в подложке, т.е. не имеют гальванического контакта с корпусом устройства и на них может быть подано напряжение смещения,

торец второго проводника щелевой линии соединен с металлизацией подложки с помощью перемычки (гальванически) через отверстие в подложке непосредственно у края щели, обеспечивая замыкание цепи постоянного тока диодов на корпус устройства.

Уменьшение коэффициента шума смесителя за счет повышения подавления шумов гетеродина достигается тем, что конец центрального проводника отрезка копланарной линии соединен с концом первого микрополоскового проводника (входа гетеродина) непосредственно, в одной плоскости, что обеспечивает идеальную соосность соединяемых линий и, тем самым, идеальную фазовую симметрию сигналов гетеродина на диодах смесителя, для осуществления микрополосково-копланарного и микрополосково-щелевого переходов в металлизации подложки под отрезками копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно. При этом дополнительное уменьшение коэффициента шума смесителя достигается и за счет уменьшения потерь в микрополосково-щелевом переходе.

Повышение стабильности параметров смесителя в рабочем диапазоне частот и при изменении мощности гетеродина достигается так же, как и уменьшение коэффициента шума, - путем создания возможности подачи смещения на смесительные диоды.

Расширение рабочего диапазона частот по входу сигнала достигается тем, что:

отрезок щелевой линии выполнен на неметаллизированной стороне подложки, при этом оси второго микрополоскового проводника и отрезка щелевой линии параллельны друг другу и один из краев второго микрополоскового проводника расположен на одной прямой с краем щели отрезка щелевой линии, образованным первым проводником последнего,

конец второго микрополоскового проводника непосредственно примыкает к торцу первого проводника отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала, обеспечивая частотно-независимое соединение указанных проводников,

торец первого проводника отрезка щелевой линии соединен с металлизацией подложки с помощью конденсатора через отверстие в подложке на расстоянии λ/4 от оси второго микрополоскового проводника, что является единственным частотно-зависимым элементом микрополосково-щелевого перехода, торец второго проводника отрезка щелевой линии соединен с «металлизацией подложки» посредством перемычки через отверстие в подложке непосредственно у края щели, обеспечивая частотно-независимое соединение второго проводника отрезка щелевой линии с металлизацией подложки. При этом в металлизации подложки под отрезками копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно. Указанная перемычка может иметь произвольную ширину из соображений получения минимальной индуктивности.

Повышение технологичности и ремонтопригодности устройства достигается за счет того, что отрезки копланарной и щелевой линий и присоединенные к ним смесительные диоды выполнены на неметаллизированной стороне подложки, как и микрополосковые проводники.

Кроме того, от окна, выполненного на металлизированной стороне подложки, не требуется соосность с микрополосковыми проводниками и проводниками отрезков копланарной и щелевой линий, расположенными на другой стороне подложки.

Предлагаемая конструкция также обеспечивает, по сравнению с прототипом, сохранение и даже некоторое расширение полосы рабочих частот по входу гетеродина за счет того, что центральный проводник отрезка копланарной линии расположен на неметаллизированной стороне подложки и непосредственно (без применения, как в прототипе, тонкой перемычки, обладающей индуктивностью), в одной плоскости, соединен с первым микрополосковым проводником - входом гетеродина, а соединение торцов боковых проводников отрезка копланарной линии с металлизацией подложки осуществляется с помощью конденсаторов через отверстия в подложке, при этом конденсаторы не вносят потери и частотные искажения СВЧ-сигнала.

Микрополосково-щелевой переход предлагаемого смесителя не имеет известных аналогов, выполненных на единой подложке, как по своему конструктивному качеству - длина перехода нулевая, так и по своим электрическим параметрам - рабочий диапазон частот ограничен использованием одного четвертьволнового отрезка двусторонней щелевой линии. Уменьшение потерь перехода и, следовательно, коэффициента шума смесителя связано не только с нулевой длиной перехода, но и тем обстоятельством, что потери излучения отрезка двусторонней щелевой линии значительно меньше, чем у односторонней щелевой линии, использованной в микрополосково-щелевом переходе прототипа.

Существенные отличия предлагаемого устройства от прототипа [11] заключаются в том, что:

отрезки копланарной и щелевой линий выполнены на неметаллизированной стороне подложки;

микрополосковый проводник входа гетеродина непосредственно соединен с центральным проводником отрезка копланарной линии, а боковые проводники отрезка копланарной линии соединены по торцам этих проводников со входа гетеродина с металлизацией первой стороны подложки с помощью конденсаторов;

микрополосковый проводник входа сигнала непосредственно соединен с первым проводником отрезка щелевой линии, торец которого соединен со входа сигнала с металлизацией первой стороны подложки с помощью конденсатора на расстоянии четверти длины волны от оси микрополоскового проводника входа сигнала, торец второго проводника щелевого отрезка соединен с металлизацией первой стороны подложки гальванически непосредственно у края щели, т.е. на минимально возможном расстоянии от микрополоскового проводника входа сигнала;

в металлизации первой стороны подложки под проводниками отрезков копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно.

Наличие новых признаков в совокупности с известными обеспечивают появление у заявляемого решения новых свойств, не совпадающих со свойствами известных технических решений:

улучшение характеристик смесителя - уменьшение коэффициента шума, повышение стабильности параметров смесителя в рабочем диапазоне частот и при изменении мощности гетеродина, расширение рабочего диапазона частот, а также повышение технологичности и ремонтопригодности конструкции за счет снижения требований к точности совмещения топологических рисунков обеих сторон подложки и расположения проводников отрезков копланарной и щелевой линий и присоединенных к их концам смесительных диодов со стороны микрополосковых проводников на неметаллизированной стороне подложки.

В данном случае представлена новая совокупность признаков и их новая взаимосвязь, что приводит к качественно новому эффекту.

Это позволяет сделать вывод о соответствии разработанного устройства критерию «существенные отличия».

На фиг.1 представлен топологический чертеж прототипа, на фиг.2 - топологический чертеж предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство (фиг.2) содержит диэлектрическую подложку 1, одна сторона 2 которой металлизирована, микрополосковые проводники 3 и 4 входа гетеродина и сигнала соответственно, выполненные на второй 5 неметаллизированной стороне подложки 1, отрезок копланарной линии, соосный с первым микрополосковым проводником 3, и состоящий из центрального проводника 6 и боковых проводников 7, 8, два соединенных последовательно по постоянному току полупроводниковых смесительных диода 9, 10, подключенных между концом центрального проводника 6 отрезка копланарной линии и его боковыми проводниками 7, 8, отрезок 11 щелевой линии, причем отрезки копланарной и щелевой линий выполнены на неметаллизированной стороне 5 подложки 1 и соосны друг другу, а проводники 12 и 13 отрезка 11 щелевой линии образованы продолжениями боковых проводников соответственно 7 и 8 отрезка копланарной линии. В металлизации стороны 2 подложки 1 под отрезками копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно 14. Это подразумевает, что отрезки копланарной и щелевой линий ограничены по ширине размерами окна 14, вписанного в металлизацию стороны 2 подложки 1. Микрополосково-копланарный переход 15 выполнен путем непосредственного, в отличие от прототипа, в одной плоскости, соединения первого микрополоскового проводника 3 с центральным проводником 6 отрезка копланарной линии. Соединение по СВЧ боковых проводников 7, 8 отрезка копланарной линии с металлизацией стороны 2 подложки 1 осуществляется по их торцам со стороны входа гетеродина, перпендикулярным оси отрезка копланарной линии, не путем использования шлейфов [9], а с помощью конденсаторов 16 и 17 через отверстия в подложке 1. Конденсаторы 16 и 17 осуществляют также замыкание боковых проводников 7 и 8 копланарного отрезка по промежуточной частоте.

Микрополосково-щелевой переход 18 по входу сигнала выполнен таким образом, что оси микрополоскового проводника 4 и отрезка 11 щелевой линии параллельны друг другу и один из краев второго микрополоскового проводника расположен на одной прямой с краем щели отрезка щелевой линии, образованным проводником 12, при этом конец микрополоскового проводника 4 непосредственно примыкает к торцу проводника 12 отрезка щелевой линии, торцы проводников 12 и 13 отрезка 11 щелевой линии со стороны входа сигнала перпендикулярны оси этого отрезка и соединены с металлизацией подложки 1, причем торец проводника 12 соединен с металлизацией подложки 1 с помощью конденсатора 19 через отверстие в подложке на расстоянии λ/4 от оси микрополоскового проводника 4, где λ - длина волны в двусторонней щелевой линии передачи 20, образованной торцом проводника 12 и соответствующим краем прямоугольного окна 14, а торец проводника 13 отрезка щелевой линии 11 соединен с металлизацией подложки гальванически с помощью перемычки 21 через отверстие в подложке непосредственно у края щели отрезка 11.

Ограничение ширины боковых проводников отрезков копланарной и проводников щелевой линий не должно приводить к нарушению электрических параметров (длины волны, волнового сопротивления) этих линий с учетом влияния корпуса устройства (т.е. экранирования линий). Указанные нарушения могут также привести к возрастанию потерь на излучение и неравномерности характеристик смесителя в рабочем диапазоне частот. Для исключения влияния ширины указанных проводников на параметры линий практически достаточно, чтобы она превышала расстояние между внешними краями щелей (фиг.2) отрезка копланарной линии W_к и/или ширину щели W_щ отрезка щелевой линии не менее чем в три раза. При этом ширина проводника 12 отрезка 11 щелевой линии должна быть не менее четверти длины волны в двусторонней щелевой линии передачи 20 в обеспечение возможности установки конденсатора 19.

Таким образом, возможность подачи смещения на диоды смесителя достигается путем выполнения ограниченных по ширине боковых проводников 7, 8 отрезка копланарной линии и проводников 12, 13 отрезка щелевой линии на неметаллизированной стороне 5 подложки 1. При этом для реализации 2-диодного балансного смесителя с улучшенными свойствами потребовалось использовать новые технические решения, в частности новый микрополосково-щелевой переход, замыкание соответствующих проводников отрезков копланарной и щелевой линии с помощью СВЧ-конденсаторов 16, 17, 19 и перемычки 21 через отверстия в подложке.

Устройство работает следующим образом.

Гетеродинный сигнал поступает на диоды 9 и 10 по микрополосковому проводнику 3, переход 15 и отрезок 6, 7, 8 копланарной линии и возбуждает в диодах токи гетеродинной частоты в противофазе (см. направление векторов электрического поля, показанных стрелками на фиг.2). Входной сигнал поступает на диоды 9 и 10 по микрополосковому проводнику 4, переход 18, отрезок 11 щелевой линии и возбуждает в диодах синфазные токи сигнальной частоты. Напряжение промежуточной частоты возникает в точке соединения между собой диодов 9, 10 относительно боковых проводников 7 и 8 копланарного отрезка, которые эквипотенциальны с корпусом устройства по промежуточной частоте за счет использования конденсаторов 16 и 17. При этом вывод диода 9, подсоединенный к проводнику 7, не имеющему так же, как и проводник 12 отрезка щелевой линии 11, гальванического контакта с металлизацией стороны 2 подложки 1, отсоединен по постоянному току от корпуса устройства, а вывод диода 10, подсоединенный к проводнику 8 гальванически соединен с корпусом устройства посредством проводника 13 отрезка щелевой линии 11 и перемычки 21. При этом напряжение смещения (U_см) может быть подано на смесительные диоды путем подключения источника постоянного тока к проводникам 7, 12 без использования каких-либо развязывающих по СВЧ-устройств. Развязка входов сигнала и гетеродина обеспечивается отличием типов колебаний в симметричной (щелевой) и несимметричной (копланарной) линиях.

Конденсаторы, применяемые для замыкания боковых проводников отрезков копланарной линии и первого проводника отрезка щелевой линии, выполняют функцию блокировочных конденсаторов, их емкостное сопротивление должно быть минимально возможным соответственно для промежуточной частоты, частоты гетеродина и для частоты входного сигнала. Диоды смесителя непосредственно присоединены к проводникам СВЧ-линий, что исключает СВЧ-потери на дополнительных элементах связи, как в смесителях [4, рис.6b] и [7]. В качестве конденсаторов рекомендуется применять керамические СВЧ-конденсаторы типа К10-71.

Конденсаторы 16 и 17 могут быть установлены на минимально возможном расстоянии от оси проводника 3. При этом длина отрезка копланарной линии должна быть равна четверти длины волны на частоте входного сигнала. Однако существуют варианты включения конденсаторов 16 и 17 и на иных расстояниях, например, на расстоянии четверти длины волны на суммарной частоте гетеродина и сигнала, расположенные на электрическом расстоянии от оси отрезка, обеспечивающем оптимальные нагрузки диодов по четным гармоникам гетеродина n·f_Г, где f_Г - частота гетеродина, n=2, 4,..., и прилегающим к ним комбинационным частотам n·f_Г+/-f_П, где f_П - промежуточная частота. При этом длина отрезка копланарной линии выбирается равной четверти длины волны на суммарной частоте гетеродина и сигнала. При указанных длинах обеспечивается режим работы смесителя с короткозамкнутой нагрузкой смесительных диодов по суммарной частоте, приводящий к снижению коэффициента шума смесителя.

Поскольку микрополосковый проводник входа гетеродина непосредственно соединен с центральным проводником отрезка копланарной линии, а боковые проводники последнего соединены по своим торцам с металлизацией подложки с помощью конденсаторов, то это позволяет исключить шунтирование смесительных диодов по постоянному току и подавать на них внешнее смещение.

Использование в микрополосково-щелевом переходе всего одного четвертьволнового отрезка щелевой линии и прямоугольного окна на металлизированной стороне подложки приводит к уменьшению потерь и расширению рабочего диапазона частот смесителя по входу сигнала.

Двусторонняя щелевая линия имеет значительно меньшие, чем обычная щелевая линия, отрезок которой использован в микрополосково-щелевом переходе прототипа [11], потери и дисперсию волнового сопротивления и длины волны. Это явление и тот факт, что в микрополосково-щелевом переходе 13 используется всего один четвертьволновый отрезок, позволяет дополнительно уменьшить коэффициент шума и расширить рабочий диапазон частот устройства по входу сигнала.

Таким образом, снижение коэффициента шума смесителя достигнуто за счет создания возможности подачи смещения на смесительные диоды путем изолирования по постоянному току соответствующих проводников отрезков копланарной и щелевой линий и присоединенного к ним вывода одного из диодов, а также за счет повышения подавления шумов гетеродина путем выполнения в одном технологическом цикле на одной стороне подложки проводников отрезка копланарной линии и микрополоскового проводника входа гетеродина, обеспечивающего идеальное совмещение их осей и идеальную фазовую симметрию гетеродинных сигналов на диодах смесителя.

Повышение стабильности параметров смесителя в рабочем диапазоне частот и при изменении мощности гетеродина достигнуто за счет подачи на диоды положительного смещения.

Расширение рабочего диапазона частот и уменьшение потерь по входу сигнала достигнуто за счет применения нового одностороннего квазисоосного микрополосково-щелевого перехода, использующего всего один четвертьволновый отрезок двусторонней щелевой линии, образованной торцами отрезка щелевой линии и прямоугольного окна на металлизированной стороне подложки.

Повышение технологичности и ремонтопригодности конструкции достигнуто за счет расположения отрезков копланарной и щелевой линий и присоединенных к ним смесительных диодов со стороны микрополосковых проводников на неметаллизированной стороне подложки, т.о. снижены требования к точности совмещения топологических рисунков обеих сторон подложки.

Проведены экспериментальные исследования балансного смесителя, выполненного по фиг.2 в трехсантиметровом диапазоне волн (были приняты меры по созданию оптимальных импедансов по второй, третьей и четвертой гармоникам гетеродина и комбинационным частотам вокруг указанных гармоник). Исследования смесителя показали, что при мощности гетеродина от 3 до 30 мВт и в полосе рабочих частот (8,5...10) ГГц его двухполосный коэффициент шума составил не более 5 дБ, КСВ гетеродинного и сигнального входов не превышал 2, а степень подавления шумов гетеродина и развязка между входами сигнала и гетеродина составили (45...50) дБ. Полученные величины подавления шумов гетеродина и развязки сигнал - гетеродин являются уникальным результатом.

ЛИТЕРАТУРА

1. M.E.Adamski, M.T.Marek. Analysis and optimization of a class of two-diode microwave mixers by means of their equivalent single-diode mixer models. "18-th Europe Microwave Conf", 1988, p.1195-1200.

2. M.V.Schneider. Low noise mm-wave Schottky mixer. "Microwave Journal", 1978, v.21, N8.

3. P.J.Meier. 4 and 5 mm band printed circuit balanced mixers. "Microwave Journal", 1979, v.22, N8. P.66-68.

4. E.J.Crescenzi, F.E.Marki, W.K.Kennedy. Fused silica: A better substrate for mixers? "Microwaves", 1976, v.15, N1, p.34-43.

5. Клич С.М., Николаев А.Л., Визель А.А. Шумовые характеристики балансного смесителя 8-мм диапазона на арсенидогаллиевых диодах с барьером Шоттки. М., 1974, «Полупроводниковые приборы и их применение», вып.28, с.180-183.

6. Gerst C.W. New mixer designs boost D/F performance. "Microwaves", 1973, v.12, N10, p.60-68, 95.

7. Черняев В.Н., Кирпиченков А.И., Шадский В.А. Балансный смеситель диапазона 12-17 ГГц. «Электронная техника», сер.1, «Электроника СВЧ». М., 1983, вып.9, с 21-24.

8. L.Ramboz, V.F.Hanna. A fully planar balanced mixer. "Proc. 8-th Colloq. Microwave Commun.", Budapest, Aug. 25-29, 1986.

9. Николаев А.Л. СВЧ-смеситель. Авторское свидетельство СССР №1210224 от 04.01.84.

10. Калина В.Г., Гвоздев В.И. Шлейфные переходы между миниатюрными линиями передачи с пленочными проводниками. М., 1979, «Электронная техника», сер. 1, «Электроника СВЧ», №6, с.37-43.

11. L.E.Dickens, D.W.Maki. An integrated-circuit balanced mixer, image and sum enhanced. "IEEE Trans.", v.MTT-23, N3, 1975, p.276-281.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к балансному СВЧ-смесителю ортомодного типа для приемопередающей и измерительной аппаратуры. СВЧ-смеситель содержит диэлектрическую металлизированную подложку (1), на неметаллизированной стороне (5) которой выполнены микрополосковые проводники входа гетеродина (3) и входа сигнала (4), а также отрезки копланарной и щелевой линий, соосные с проводником (3). Между центральным (6) и боковыми проводниками (7, 8) отрезка копланарной линии подключены диоды (9, 10). Проводник (3) непосредственно соединен с проводником (6), а проводники (7, 8) - с металлизацией (2) подложки с помощью конденсаторов (16, 17). Проводник (4) примыкает к проводнику (12). Проводники (12, 13) отрезка щелевой линии соединены с металлизацией (2): один - с помощью конденсатора (19) на четвертьволновом расстоянии от оси проводника (4), другой - посредством перемычки (21). В металлизации (2) подложки под проводниками (6, 7, 8, 12, 13) выполнено прямоугольное окно. Подача смещения на диоды, одностороннее расположение проводников (3, 4, 6, 7, 8, 12, 13) позволяют уменьшить коэффициент шума, повысить стабильность параметров, технологичность и ремонтопригодность, что является техническим результатом изобретения. В полосе рабочих частот от 8,5 до 10 ГГц и при мощности гетеродина 3÷30 мВт двухполосный коэффициент шума составляет не более 5 дБ. 2 ил.

Балансный СВЧ-смеситель ортомодного типа, содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой металлизирована, два микрополосковых проводника, являющихся входами гетеродина и сигнала, расположенные на неметаллизированной стороне подложки, отрезок копланарной линии, соосный с первым микрополосковым проводником, центральный проводник которого соединен одним концом с концом первого микрополоскового проводника, между другим концом центрального проводника и боковыми проводниками отрезка копланарной линии подключены два полупроводниковых диода, соединенных последовательно по постоянному току, отрезок щелевой линии, соосный с отрезком копланарной линии, причем проводники отрезка щелевой линии образованы продолжениями боковых проводников отрезка копланарной линии, конец отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала соединен по СВЧ со вторым микрополосковым проводником, отличающийся тем, что отрезки копланарной и щелевой линий выполнены на неметаллизированной стороне подложки, в металлизации подложки под отрезками копланарной и щелевой линий выполнено прямоугольное окно, конец центрального проводника отрезка копланарной линии соединен с концом первого микрополоскового проводника непосредственно, в одной плоскости, торцы боковых проводников отрезка копланарной линии со стороны входа гетеродина перпендикулярны оси этого отрезка и соединены с металлизацией подложки с помощью конденсаторов через отверстия в подложке, оси второго микрополоскового проводника и отрезка щелевой линии параллельны друг другу и один из краев второго микрополоскового проводника расположен на одной прямой с краем щели отрезка щелевой линии, образованным первым проводником последнего, при этом конец второго микрополоскового проводника непосредственно примыкает к торцу первого проводника отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала, торцы проводников отрезка щелевой линии со стороны входа сигнала перпендикулярны оси этого отрезка и соединены с металлизацией подложки, причем торец первого проводника отрезка щелевой линии соединен с металлизацией подложки с помощью конденсатора через отверстие в подложке на расстоянии λ/4 от оси второго микрополоскового проводника, где λ - длина волны в двусторонней щелевой линии передачи, образованной торцом первого проводника отрезка щелевой линии и соответствующим краем прямоугольного окна, а торец второго проводника отрезка щелевой линии соединен с металлизацией подложки посредством перемычки через отверстие в подложке непосредственно у края щели.