СВЧ-умножитель частоты Советский патент 1992 года по МПК H03B19/05 H01P5/103 

Изобретение относится к радиотехнике сверхвысоких частот и может быть использовано при создании источников СВЧ-мощ- ностимиллиметровогои

субмиллиметрового диапазонов длин волн.

Известны умножители частоты для СВЧ диапазона, содержащие закороченный отрезок прямоугольного волновода, являющийся входным, и подключенную к нему через широкую стенку коаксиальную линию, в разрыве которой установлен умножительный (варакторный) диод и через которую подается входной сигнал, а выходной линией служит второй прямоугольный волновод, связанный с упомянутой коаксиальной линией. Недостатком такой конструкции умножителя частоты является прежде всего то, что по условиям возбуждения волн входная и выходная линии находятся во взаимно перпендикулярных плоскостях и поэтому возникают значительные трудности конструктивного характера как при изготовлении умножителя, так и при компоновке его в аппаратуру. Кроме того, во входной и выходной линиях передачи согласующие элементы, фильтры в коаксиальной линии связи ограничивают частотные возможности таких умножителей, а удовлетворительные технические характеристики реализуются лишь на частотах, не превышающих 44 ГГц. Частично свободным от указанных недостатков умножители, содержащие два прямоугольных волновода, расположенные вдоль одной осевой линии и связанные между собой посредством отрезка микрополо- сковой линии, и полупроводниковый умножительный элемент, подключенный через спиральную контактную пружину и фильтр нижних частот к источнику смещения. Настройка таких умножителей на требуемые значения рабочих частот осуществляется подвижными короткозамыXI XI СЛ 00

кающими волнооодными поршнями и спи- ральпоП пружиной, подключенной к одному из электродов полупроводникового умно- жигельного элемента. Однако низкая воспроизводимость параметров, сложность в изготовлении и настройке, низкий уровень технологичности, уход парамрфов при механических нагрузках (вибрациях) не позволяют считать такие коне грукции умножителей частоты приемлемыми для производства, особенно в корогковолнорой части миллиметрового и в субмил/н мефо- вом диапазонах, где неточности и изготовлении элементов тракта играют решающую роль,

Наиболее близким к предлагаемому является сверхвысокочастотный умножитель частоты, содержащий отрезок прямоуюль- ного волновода с поперечным сечением, COOT ветст вующим диапазону частот выходного сигнала, с размещенным в нем с одной стороны корогкозамыкающим поршнем, а с другой - нагрузкой. На одной из узких стенок волновода установлена диэлектрическая пластина, на поверхности ко- торой расположены гальванически связанные между собой первый, второй и третий отрезки полосковых линий. Полупроводниковый умножигельный элемент расположенвовходномкоаксиально-полосковом переходе и соединен одним электродом с центральным проводником коаксиальной линии, другим - с общей точкой отрезков полосковых линий, два из которых параллельны оси волновода, а третий ортогональный первым двум. Постоянное напряжение на полупроводниковый умножигельный диод подается через центральный проводник входной коаксиальной линии, один из отрезков полосковой линии и тонкий проводник с большой индуктивное ью, обеспечивающий развязку по сверхвысокочастотпому сигналу

Указанное размещение отрезков полосковых линий с диодом на узкой сгенке волновода позволяет минимизировать искажение структуры поля в волноводе, однако режим умножения реализуется здесь лишь при подаче внешнего напряжения смещения, так как напряженность сверхвысокочастотного поля на диоде при таком расположении мала и, следовательно, режим автосмещения не может реализоваться и поэтому на диод подается внешнее напряжение смещения. Поэтому в техническом решении - прототипе 1) режим умножения сопряжен с генерацией шумов за счет-протекания тока смещения; 2) рассеиваемая на диоде дополнительная мощность от протекающего тока источника смещения понижает надежность умножителя; 3) коэффициент полезного действия (коэффициент передачи) мал вследствие неполного включения умножительной цепочки.

5Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия умножителя частоты при одновременном понижении уровня шумов в выходном сигнале и повышении надежности,

0 Согласно изобретению поставленная цель достигается тем, что в умножителе частоты, содержащем отрезок волновода с поперечным сечением, соответствующим диапазону частот выходного сигнала, диэ5 лектрическую пластину с размещенными на ее поверхности первым, вторым и третьим отрезкам полосковой линии и полупроводниковый умножителькый элемент, диэлектрическая пластина расположена в

0 плоскости, проходящей через середины широких сгенок отрезка волновода, первый отрезок расположен со стороны входного, второй - со стороны выходного конца волновода, при этом первый и второй отрезки

5 перпендикулярны широким стенкам волновода, фетии отрезок полосковой линии расположен параллельно широким стенкам волновода и частично расположен в нижней его стенке, а полупроводниковый умножи0 тльный элемент - между вторым и третьим отрезками полосковой линии, примем размеры отрезков полосковой линии и волновода определяются из соотношений: Ж/В 0,62...0,72; На/В - 0,38...0,48; Aj/B5 0,86..,0,91; Аг/В 0,98...1,12, где Hi, h и Ai -длины первого, второго и третьего отрезков полосковой линии, соответственно, А2 расстояние от торца волновода до первого отрезка линии, В - высота волновода.

0 На фиг. 1 представлен умножитель частоты, общий вид; на фиг. 2 -умножительная вставка, где 1 - отрезок прямоугольного волновода (срез сделан через середину широких стенок волновода), 2 - диэлектриче5 екая пластина, 3,4,5 - отрезки полосковой линии, б - полупроводниковый умножитель- ный элемент (преимущественно диод с барьером Шоттки).

Сверхвысокочастотный умножитель ча0 стоты работает следующим образом. Подлежащий умножению входной СВЧ сигнал возбуждает контур, образованный отрезком волновода 1, частота отсечки ко горого выше частоты входного сигнала, и обладающий

5 поэтому положительным реактансом, и реактивностью, образованной отрезком 3 полосковой линии. При определенной длине отрезка 5 полосковой линии на полупроводниковом умножительиом элементе осущест- вляется практически полная концентрация

электрического поля и за счет нелинейности вольтамперной или вольткулоновской характеристики элемента последнего образуется спектр частот, из которого извлекается частота, для которой образована резонанс- пая колебательная система, составными частями которой являются отрезки 3,4,5 полосковой линии и реактанс умножитель- ного элемента, параметры которого планируются так, чтобы получить максимальную мощность на требуемой гармонике входного сигнала. Мощность по указанной гармонике делится поровну между источником входного сигнала и нагрузкой, и в силу выбранных соотношений размеров отрезков полосковых линий в плоскости отрезка 3 образуется пол.оснозапирающий фильтр на частоте рабочей гармоники, и образовавшаяся от него волна является синфазной с волной, распространяющейся в направлении нагрузки. Складываясь с последней, она поступает в полезную нагрузку. Тем самым достигается максимально возможное извлечение из диода мощности на заданной гармонике входного сигнала.

Воспользовавшись численными значениями для импеданса отрезка волновода на частотах ниже критической, i- сходя из геометрических его размеров(поперечного сечения и длины) и частоты входного сигнала (напр. Дж. Саусворт. Принципы применения волноводной передачи. - Сов. радио, М., 1955, 699 с.), экспериментально полученных численных значений параметров полупроводникового умножительного эле- мента, можно получить численные значения для геометрических размеров отрезков полосковых линий, которые могут послужить основой для конструирования умножитель- ной вставки и умножителя в целом. Так, в диапазоне частот входных сигналов 72,..79 ГГц с использованием диодов с барьером Шоттки и прямоугольного волновода с номинальным сечением 1,6x0,8 мм.. расчетные характеристики хорошо согласуются с экспериментально полученными, а именно: максимальный коэффициент преобразования (Ј25...27%) удвоителя частоты достигается при следующих размерах отрезков полосковой линии и отрезка волновода: Hi/B 0,62,.0,72, Н2/В 0,38...0,48, Ai/B 0,86...0,91, А2/В 0,98...1,12, где HI - длина отрезка 4, На - длина отрезка 3, AI - длина отрезка 5 полосковой линии, Аа расстояние от торца волновода до отрезка 3, при этом ширина отрезков полосковых линий, плоскости которых параллельны узким

стенкам волновода, порядка . гДе

Лзвых длина волны на средней частоте выходного сигнала, а проводник 5 на одну треть размещен в нижней широкой стенке волновода.

Технико-экономическая эффективность заявленного сверхвысокочастотного умножителя частоты определяется технологичностью изготовления, заключающейся прежде всего в максимальном использовании операции фотолитографии, и конструктивной простоте, что является важным обстоятельством как на стадии изготовления умножителя, так и при установке его. в аппаратуру. При существующих нормативах на изготовление экспериментальных образцов умножителей себестоимость предлагаемого умножителя в 2,5-3 раза ниже, по сравнению с умножителем-прототипом, при одновременном повышении надежности и улучшении электрических параметров.

Формула изобретения

СВЧ-умножитель частоты, содержащий отрезок прямоугольного волновода с поперечным сечением, соответствующим диапазону частот выходного сигнала, в котором установлена диэлектрическая пластина с размещенными на ее поверхности первым и вторым соединенными между собой, и третьим плоскими проводниками и полупроводниковый умножительный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при уменьшении уровня шума и повышения надежности, диэлектрическая пластина расположена в плоскости, проходящей через середины широких стенок отрезков прямоугольного волновода, первый и второй отрезки плоских проводников расположены ортогонально широким стенкам отрезка прямоугольного волновода соответственно со стороны входа и выхода, третий плоский проводник соединен своей боковой кромкой с одной из широких стенок, а полупроводниковый умножительный элемент включен между вторым и третьим плоским проводниками, при этом размеры отрезка прямоугольного волновода и плоских проводников выбраны из соотношений

Hi/B 0,62-0,72;

Н2/В 0,38-0,48;

Нз/В 0,86-0,91 ;

А2/В 0,98-1,12,

где Hi, Hz, Нз - длины соответственно первого, второго и третьего плоских проводников;

А2 - расстояние от входного конца отрезка прямоугольного волновода до первого плоского проводника;

В - высота отрезка прямоугольного волновода.

вых

Фие.1

Использование: в источниках СВЧ-мощ- ности миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн. Сущность изобретения: умножитель содержит отрезок прямоугольного волновода с поперечным сечением, соответствующим диапазону частот выходного сигнала, в котором вдоль продольной оси установлена диэлектрическая пластина, на которой расположены первый и второй, соединенные между собой, и третий плоские проводники. Полупроводниковый умножительный диод включен между вторым и третьим плоскими проводниками. Первый и второй плоские проводники расположены ортогонально широкой стенке волновода, а третий соединен с ней своей боковой кромкой. Приведены соотношения для выбора размеров плоских проводников и отрезка прямоугольного волновода. 2 ил.

Фиг.2.