CC BY
247
УДК 621.372
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СМЕСИТЕЛЯ ПРОХОДНОГО ТИПА 18-26 ГГц А.М. Щитов, З.Н. Мирзаев, М.Д. Исаев
В статье рассматривается процесс расчета и проектирования смесителя проходного типа с формированием противофазного сигнала гетеродина щелевым резонатором. Расчет характеристик смесителя и его конструктивных элементов проведен с помощью пакета программ автоматизированного расчета СВЧ устройств «Serenade». Расчёт показывает, что возможна реализация достаточно малых потерь преобразования 6,6 - 8,Q дБ при невысоких уровнях Рг ~ 5 - 7 дБм
Ключевые слова: смеситель, конструкция, микрополосковый
С целью уменьшения потерь преобразования в смесителях, снижения требуемого уровня мощности гетеродина, уменьшения неравномерности АЧХ предложено проектировать балансные смесители на бескорпусных ДБШ или диодных сборках как единый СВЧ узел совместно с входными и выходными фильтрами.
Алгоритм проектирования состоит в следующем:
1. Выбор общей конструкции смесителя.
2. Выбор структуры и расчет конструктивно-технологических параметров фильтров исходя из требуемых характеристик.
3. Оптимизация конструктивных элементов смесителя для достижения заданных параметров.
Конструкция балансного смесителя проходного типа показана на рис. 1.
Рж
Рис. 1. Смеситель проходного типа
Основа конструкции - последовательное соединение двух микрополосковых фильтров: входного полосового (на связанных полуволновых резонаторах или шлейфовый - в зависимости от диапазона частот) и выходного
Щитов Аркадий Максимович - ННИПИ «Кварц», д-р техн. наук, профессор, e-mail: <[email protected]>
Мирзаев Зайнудин Нурмагомедович - ДГТУ, ст. преподаватель, e-mail: <[email protected]>
Исаев Мурадхан Джамидинович - ДГТУ, ст. преподаватель, e-mail: <[email protected]>
ФНЧ, начинающегося (со стороны диодов) индуктивной секцией.
К точке соединения фильтров подключена пара смесительных диодов (разнополярно), другие выводы диодов заземлены. Для противофазного возбуждения диодов сигналом гетеродина он формируется щелевым резонатором (электрическая длина А,г/2), выполненным с обратной стороны подложки в экране плат фильтров так, чтобы точки заземления выводов диодов были расположены по разным сторонам резонатора, на краях и посередине длины резонатора. Сигнал гетеродина подается по микрополосковой линии (МПЛ) и возбуждает резонатор с помощью короткозамкнутой перемычки из фольги или разомкнутым шлейфом (в виде антенны). Конструкция смесителя обеспечивает хорошую развязку между каналом гетеродина и входом СВЧ сигнала (выходом ПЧ) за счет симметрии и ортогональности электромагнитных полей в линиях. Конструкция удобна для настройки в рабочем режиме.
Расчет характеристик смесителя и его конструктивных элементов проведен с помощью пакета программ автоматизированного расчета СВЧ устройств «Serenade». Выбор структуры входного микрополоскового фильтра, типа и толщины подложки определяется возможностью его практической реализации с потерями в полосе пропускания 1 дБ и уровнем ослабления в требуемой полосе запирания не менее 45 дБ. В таблице представлены требования к характеристикам входных ПФ смесителей конверторов различных диапазонов частот.
fc, ГГц fr, ГГц ГГц Диапазон частот с требуемым ослаблением 45 дБ, ГГц
Зеркальный канал 2f -f ^г -*-пар.
2-6 16 Q-14 16-3Q 18-32
18-26 32 Q-14 32-46 5Q-64
26-38 44 Q-18 44-56 7Q-88
38-42 48 Q-1Q 48-58 86-96
Диапазон частот ПЧ снизу не ограничен, поскольку в качестве выходных фильтров предполагается использование ФНЧ. Заметим, что любая структура микрополоскового ПФ имеет паразитные полосы пропускания в диапазоне частот выше рабочей полосы. Однако, в данном случае это не вызывает необходимости расширять полосу заграждения за счет включения дополнительных ФНЧ, так как входные МШУ, предусмотренные структурой конверторов, внесут заметное ослабление (20 дБ) на частотах выше их рабочего диапазона. Благодаря этому требования к вносимому ослаблению ПФ в полосах приема по 3К и выше могут быть ослаблены до ~ 25 дБ, что существенно упрощает процесс расчета и практической реализации ПФ.
Требования к выходным ФНЧ - это минимальные потери в диапазоне частот выходных сигналов и максимальное вносимое ослабление (50 дБ) в полосе входных сигналов и на частотах гетеродина. Заметим, что для смесителя с £ =2-6 ГГц в качестве выходного фильтра необходимо использовать ПФ 10-14 ГГц с целью подавления прямого прохождения входного сигнала на выход ПЧ. Конструкция и расчет характеристик смесителя 2-6 ГГц будет представлена в следующих работах.
В соответствии с вышеопределенными требованиями рассчитаны ПФ и ФНЧ для смесителя диапазона частот 18-26 ГГц. Оптимальным вариантом представляется реализация фильтров на кварцевой подложке толщиной 0,3 мм.
Следующий шаг автоматизированного расчета и проектирования - оптимизация конструктивно-топологических элементов смесителя в целом для достижения заданных параметров.
Для оптимизации характеристик смеситель представляется следующей моделью (рис. 2).
Конструктивно-топологические параметры входного ПФ (структура на четвертьволновых закороченных шлейфах) и выходного ФНЧ (на индуктивно-емкостных отрезках МПЛ) задаются по результатам предварительного расчета. Между точкой подключения диодов и выходным ФНЧ вводится отрезок МПЛ ^2, 12) с целью образования пучности напряжения входного сигнала (на средней частоте) в точке подключения диодов при отражении от ФНЧ.
Между входным ПФ и точкой подключения диодов тоже введен отрезок МПЛ (W1, 11) для предотвращения шунтирования входным ПФ напряжения ПЧ. Возбуждение диодов смесителя моделируется подключением источника гетеродина через высокодобротные полосовые фильтры, обеспечивающие беспрепятственное прохождение сигнала гетеродина и короткое замыкание на входе для входного СВЧ сигнала и выходного ПЧ. Полосовые фильтры в тракте гетеродина являются вспомогательными элементами, смоделированными на сосредоточенных Ь, С-элементах, для имитации реального режима работы смесителя. Оптимизация смесителя заключается в вариации топологических параметров в заданных пределах (длины и ширины отрезков МПЛ (11, W1) (12, W2) и ближайших к точке подключения диодов элементов фильтров ^ПФ, 1пф), ^фнч, 1фнч) с целью достижения минимальных потерь преобразования в рабочем диапазоне частот. Такой подход к расчету смесителя позволяет получить малые потери преобразования на £пч = £ - £ за счет исключения (минимизации) потерь на частотах ^ч = £ + £ . В процессе оптимизации создаются оптимальные фазовые соотношения отражающих импедансов со стороны фильтров, то это способствует вторичному преобразованию сигналов ^ в полезный продукт с частотой ^ и увеличивает уровень выходного сигнала.
В процессе расчета смесителей параметры арсенидо-галлиевых ДБШ - С0 ~ 0,03 пФ, К; = 5,5 Ом, 1тах = 30 мА, I = 10-13А - выбирались соответствующими реальным (АА147Б, диодные микросборки НПО НИИ «Кварц»).
Ниже приведены результаты расчета и оптимизации смесителя проходного типа.
Рис. 2 Модель смесителя проходного типа
Рис. 3 а. Потери преобразования при различных Рг.
Рис. 3 б. Уровень ослабления входного СВЧ сигнала на выходе ПЧ (при Рг = 5 дБм)
Рис. 3 д. Зависимость 1Р3
Рис. 3 е. Коэффициент преобразования и коэффициент отражения
Рис. 3 ж. Уровень компрессии (1 дБ) при Рг=5дБм. Достигается при Рс=-3,5 дБм.
Рис. 3 в. Уровень ослабления сигнала ПЧ на СВЧ входе (при Рг = 5 дБм)________________
1*4о »оо ;<по ;.-4о ?1т ;*4о дт .чао
**4 ДОН
Рис. 3 г. Уровень подавления интермодуляционных составляющих 3-го порядка (при Рг = 5 дБм, Рс1, с2 = -10 дБм)
Рис. 3 з. Уровень гармонических искажений £пч(параз.)= 2(Гг-Гс) (при неидентичности параметров диодов 5 %).
Расчёт показывает, что возможна реализация достаточно малых потерь преобразования 6,6 - 8,0 дБ (с учётом ослабления в ПФ и ФНЧ) при невысоких уровнях Рг ~ 5 - 7 дБм.
Расчётная неравномерность АЧХ в полосе 40 мГц не превышает 0,1 - 0,15 дБ. Недостаточное ослабление побочных каналов приёма 20 - 30 дБ наблюдается только в тех участках диапазона частот, где входные МШУ внесут дополнительные потери не менее 30 дБ. Характеристики нелинейных искажений показывают, что максимальный уровень мощности на входе смесителя не должен превышать -15 - -20 дБм для ослабления интермодуляционных искажений 3-го порядка не менее 50 дБс.
Относительно малый уровень компрессии и подавления гармонических и интермодуляционных искажений связан с минимизацией при расчёте характеристик смесителей требуемого уровня мощности гетеродина (Рг ~ 5 -7 дБм), что продиктовано минимальными затратами при реализации источников гетеродинных сигналов.
Заметного улучшения характеристик смесителей по нелинейным искажениям можно достичь за счёт смещения рабочей точки на ВАХ диодов внешним источником напряжения с одновременным увеличением Рг на несколько дБ (до Рг = 10 дБм).
Литература
1. Пильдон В.И., Визель А.А. Полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Я.А. Федотова. -М.: 1970.- Вып. 23. - С. 82-108.
2. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств // Под ред. В.И. Вольмана. -М.: Радио и связь, 1982.- 328 с.
3. Щитов А.М. Диодные преобразователи частоты СВЧ и КВЧ диапазонов. // Радиоизмерения и электроника, 1994. Вып. 3. С. 15-21.
4. Щитов А.М. Диодные умножители частоты.// Радиоизмерения и электроника. ННИПИ «Кварц», 2001. Вып. 9. С. 41-46.
Нижегородский научно-исследовательский приборостроительный институт «Кварц» Дагестанский государственный технический университет
CALCULATION AND DESIGN OF PASS-THROUGH MIXER 18-26 GHz A.M. Shitov, Z.N. Mirzaev, M.D. Isaev
This article is considered the process of calculation and design of pass - through mixer with formation of antiphased signal of heterodine by slit resonator. Calculatron of mixer characteristics and its constructive elements is carried out with the help of program package of automated calculation of the microwave frequency of " Serenade " devices. The calculation shows that the realization of rather small losses of conversion of 6,6 - 8,0 dB under low levels Рг ~5-7 дБм is possible
Key words: mixer, construction, microstrip
