Научная статья на тему 'ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ'

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
152
35
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СМЕСИТЕЛЬ СВЧ / ШИРОКОПОЛОСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ / БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ / ДВОЙНОЙ БАЛАНСНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ / ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ / НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ СМЕСИТЕЛЯ / МОДЕЛИРОВАНИЕ / VHF MIXER / BROADBAND MIXER / BALANCE MIXER / DOUBLE BALANCE MIXER / ELECTRODYNAMIC CALCULATION / MIXER'S NONLINEAR ANALYSIS / MODELIN

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Чиликов Александр Александрович, Щитов Аркадий Максимович

Предложены различные варианты схемно-конструктивного исполнения гибридных интегральных схем (ГИС) широкополосных балансных и двойных балансных диодных смесителей СВЧ в диапазоне частот 2-36 ГГц. Проведено полное трёхмерное электромагнитное моделирование методом конечных элементов всех представленных конструкций с учётом влияния стенок корпуса и коаксиально-микрополосковых переходов. Результаты электромагнитного анализа были использованы для получения расчётных характеристик смесителей методом гармонического баланса. С целью повышения параметров устройств проведена оптимизация топологий печатных плат и параметров диодов. На основе результатов расчёта изготовлены все представленные конструкции и проведено их экспериментальное обследование. Рассмотрены конструктивные особенности, которые были выявлены в ходе моделирования и экспериментального обследования. Также проведено сравнение результатов расчёта и эксперимента с характеристиками зарубежных аналогов.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Чиликов Александр Александрович, Щитов Аркадий Максимович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FEATURES OF DESIGNING BROADBAND DIODE VHF MIXERS

Current trends in designing mixers are meant to expand operating frequency range, to increase channel isolation to reduce the size. Using monolithic technology can significantly reduce product size but it limits design implementation methods. In view of this, hybrid technology is used when developing mixers with the broadest possible operating frequency range (10:1 and more) and overlapping input signal ranges (Fs), heterodyne signal (Fg) and intermediate frequencies (Fif). Features of designing hybrid broadband diode balanced and dual balanced mixers in the range of 2-36 GHz are examined. Balanced mixers are most prefer-able when Fs, Fgranges are significantly higher than intermediate frequency range. One of the possible op-tions for these mixers is the circuit of two-diode mixer with diplexer and formation of heterodyne counter-phase signal in slot-coupled cavity. As per this circuit two mixers are developed: 5-25 / 0-3 GHz and 14-26 / 0-8 GHz with 10 dB conversion loss and heterodyne channel isolation of about 30 dB. Two original designs of double balance mixers are proposed and implemented. The first mixer based on broadband coplanar-cavity diplexer as per star-shape has Fsand Fgrange of 2-20 GHz, 0-4 GHz Fif, conversion losses are no more than 10 dB and heterodyne channel isolation is more than 30 dB across the entire range. The second Lange coupler-based mixer has Fsand Fgfrequency range of 6-36 GHz and 0-30 GHz Fif, conversion losses are no more than 14 dB and heterodyne channel isolation is more than 30 dB across the entire range. Modeling with three-dimensional electrodynamic analysis was used in the research work. That enabled to significantly re-duce the time for product development and to exclude or minimize the adjustment. Close agreement between calculated and experimental characteristics was obtained.

Текст научной работы на тему «ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ»

Электродинамика и антенные системы

УДК 621.372.622

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ДИОДНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ Чиликов Александр Александрович

аспирант кафедры «Квантовая радиофизика и электроника» Нижегородского государственного

университета им. Н.И. Лобачевского1; инженер-конструктор 2 категории АО «НПФ «Техноякс»2.

E-mail: chilikov@tehnojaks.ru.

Щитов Аркадий Максимович

доктор технических наук, старший научный сотрудник;

главный научный сотрудник АО «НПФ «Техноякс»2.

E-mail: schitoff@mail.ru.

1Адрес: 603950, г. Нижний Новгород, пр. Гагарина, д. 23.

2Адрес: 105484, г. Москва, 16-я Парковая ул., д. 30.

Аннотация: Предложены различные варианты схемно-конструктивного исполнения гибридных интегральных схем (ГИС) широкополосных балансных и двойных балансных диодных смесителей СВЧ в диапазоне частот 2-36 ГГц. Проведено полное трёхмерное электромагнитное моделирование методом конечных элементов всех представленных конструкций с учётом влияния стенок корпуса и коаксиально-микрополосковых переходов. Результаты электромагнитного анализа были использованы для получения расчётных характеристик смесителей методом гармонического баланса. С целью повышения параметров устройств проведена оптимизация топологий печатных плат и параметров диодов. На основе результатов расчёта изготовлены все представленные конструкции и проведено их экспериментальное обследование. Рассмотрены конструктивные особенности, которые были выявлены в ходе моделирования и экспериментального обследования. Также проведено сравнение результатов расчёта и эксперимента с характеристиками зарубежных аналогов.

Ключевые слова: смеситель СВЧ, широкополосный смеситель, балансный смеситель, двойной балансный смеситель, электродинамический расчёт, нелинейный анализ смесителя, моделирование.

Введение

Широкое применение смесителей в системах радиолокации, навигации, радиосвязи, радиоизмерительной аппаратуре и других областях обуславливает их большую номенклатуру и разнообразное схемно-конструктивное исполнение. Усилия разработчиков направлены на расширение полосы рабочих частот, увеличение развязки между каналами, уменьшение габаритов [1, 2]. Наиболее интенсивно сегодня развивается направление по созданию смесителей в виде монолитных интегральных схем (МИС) [3-5]. Выполнение смесителей в виде кристаллов существенно уменьшает массога-баритные параметры и позволяет интегрировать их с МШУ, УПЧ и фильтрующими элементами. Однако монолитная технология не

позволяет использовать некоторые типы линий передачи, что существенно ограничивает способы конструктивной реализации и не позволяет, например, достичь перекрытия частотных диапазонов по входному СВЧ сигналу (Ес) и сигналу гетеродина (Ег) более, чем 5:1 [6, 7]. Поэтому при разработке смесителей с максимально широкой рабочей полосой частот (10:1 и более), особенно смесителей с перекрытием диапазонов Ес, Ег и Епч, используют гибридную технологию.

Современные методы проектирования смесителей включают в себя моделирование с использованием САПР, что позволяет значительно сократить время на разработку изделия и исключить или свести к минимуму регулировку [8].

ФВЧ

ФНЧ

Симметрирующий трансформатор

/\ Вход

гетеродина

Рис. 1. Структурная схема БС

В работе рассматриваются особенности проектирования широкополосных диодных балансных и двойных балансных смесителей, выполненных по гибридной технологии на подложках из поликора и кварца в миниатюрных корпусах с коаксиальными разъёмами.

Балансные смесители 5-25/0-3 ГГц и 14-26/0-8 ГГц

Среди многообразия схемно-конструктивного исполнения смесителей СВЧ балансные смесители (БС) наиболее предпочтительны в случае, когда диапазоны частот входного сигнала и сигнала гетеродина ^г) существенно выше диапазона промежуточных частот ^пч) (для смесителей с преобразованием вниз) [9]. Имеется возможность обеспечить достаточно малые потери преобразования, большую величину изоляции каналов и большой динамический диапазон при сравнительно малой мощности сигнала гетеродина (Рг). Одним из возможных

вариантов конструктивного исполнения данных смесителей может быть апробированная ранее [10] схема двух-диодного смесителя с диплексером и формированием противофазного сигнала гетеродина на щелевом резонаторе (рис. 1).

Конструктивно смесители выполнены в виде двух микрополосковых плат, соединённых экранами (рис. 2). На одной плате расположены 50-0мная линия входного СВЧ-сигнала, выходной ФНЧ для вывода ПЧ и щелевой резонатор. На другой плате - 50-0мная линия гетеродина, соединённая перемычкой из фольги с резонатором.

Диоды А91147-3 производства «НПП «САЛЮТ» разнополярно подключены к линии СВЧ-сигнала и к разным сторонам щелевого резонатора через металлизированные отверстия в плате. Роль входного ФВЧ (или ПФ) выполняет конденсатор К10-71 ёмкостью ~0,5 пФ. Особенностью данной конструкции является наличие паразитной

электромагнитной связи резонатора с ёмкостными площадками выходного ФНЧ. В результате, когда электрическая длина широкой стороны ёмкостной площадки равна четверти длины волны в резонаторе, сигнал гетеродина затухает. При этом накачки диодов не происходит, что приводит к резкому увеличению потерь преобразования на данной частоте гетеродина. Чтобы ослабить паразитную связь, в край резонатора под фильтром ПЧ устанавливается резистор номиналом 50 Ом.

Частота, ГГц

Рис. 3 a. Коэффициент преобразования

(Fm = Fc - Fr = 100 МГц; Рг = 20 дБм)

п-1— —I— —I-1-г

—Расчет -»-Макет —Аналог

Частота, ГГц

Рис. 3 б. Коэффициент преобразования (Fr = 10 ГГц; Рг = 20 дБм; Fc > Fr)

—Расчет -*-Макет --Аналог

Частота, ГГц

Рис. 3 в. Развязка Гетеродин-ПЧ

S -40

^-50

' -50

-Расчет

г Макет

частота, ГГц

Рис. 3 г. Развязка Гетеродин-Сигнал

При разработке балансных смесителей по схеме с диплесером возникает проблема стыковки входного ФВЧ и выходного ФНЧ. Проблема заключается в том, что на частоте среза ФНЧ происходит скачок в фазовой характеристике коэффициента отражения, что приводит к подавлению входного сигнала. Особенно остро это наблюдается в моделях, где интервал между диапазоном ПЧ и входных сигналов относительно небольшой (менее октавы). В результате приходится намеренно уменьшать частоту среза выходного ФНЧ с целью исключения её из рабочего диапазона смесителя, что отрицательно сказывается на широкополосно-сти тракта ПЧ.

Моделирование смесителей выполнялось с использованием САПР. Сначала производился трёхмерный электродинамический анализ конструкции методом конечных элементов с учётом влияния стенок корпуса и коаксиально-микрополосковых переходов. Далее полученные характеристики экспортировались в программу для моделирования схемы, где осуществлялся расчёт параметров смесителя ме-

тодом гармонического баланса [11]. Измерения характеристик смесителей проводились с использованием анализатора цепей ZVA 67 и генератора SMF 100A от компании Rohde & Schwarz.

На рис. 3 а-г представлены результаты компьютерного моделирования, экспериментального обследования и рекламируемые характеристики зарубежного аналога смесителя 5-25/0-3 ГГц.

По потерям преобразования наблюдается качественное совпадение результатов расчёта с экспериментом. Расхождение обусловлено следующим рядом причин:

1) В отличие от строгой геометрической модели устройства в реальной конструкции макета не удалось достичь идеальной симметрии, что отрицательно сказывается на развязках каналов.

2) С целью повышения технических характеристик макеты дорабатывались с использованием регулировочных элементов и поглощающих материалов, которые затруднительно моделировать в программе.

Частота, ГГц

Рис. 4 а. Коэффициент преобразования

(Fm = Fr - Fc = 100 МГц; Рг = 13 дБм)

- "ч__- —Ра счет i-Маке — Ан алог

ч \ ч ч

Частота,ГГц

Рис. 4 б. Коэффициент преобразования (Fc = 25 ГГц; Рг = 13 дБм; Fc > Fr)

— Расчет -*-Макет —Аналог

Г \ *

/ \

/ \ >

4 \

\

—s V —N / \

/

\

\

V

/

\

Частота, ГГц

Рис. 4 в. Развязка Гетеродин-ПЧ

5-50

Частота, ГГц

Рис. 4 г. Развязка Гетеродин-Сигнал

3) При измерениях влияние разъемов, переходов и кабелей не всегда удается исключить с использованием калибровки.

Сравнение полученных характеристик с заявленными в [12] параметрами ближайшего зарубежного аналога (HITTITE HMC143, выполненном на кристалле по двойной балансной схеме) показывает, что разработанное устройство превосходит данную модель практически по всем параметрам. В отдельных участках диапазона входных сигналов и полосы ПЧ потери преобразования ниже на 2-3 дБ, развязка гетеродин-ПЧ во всём диапазоне лучше на 10-20 дБ, а изоляция канала входного сигнала и гетеродина - минимум на 2-3 дБ. Точка пересечения интермодуляционных искажений третьего порядка по входу (IIP3) у расчётной модели - IIP3 = 22 дБм, экспериментальный образец - IIP3 = 25 дБм, зарубежный аналог -IIP3 = 24 дБм. Данные по IIP3 получены при Fг = 10 ГГц; Рг = 20 дБм; Fm = Fc - Fг = 100 МГц; AFn = 10 МГц. Также стоит отметить, что разработанный смеситель сохраняет свою работоспособность вплоть до 25 ГГц и диапазон

частот ограничен параметрами щелевого резонатора, так как входной сигнал имеет ограничение только по нижним частотам.

На рис. 4 а-г представлены результаты компьютерного моделирования, экспериментального обследования и рекламируемые характеристики зарубежного аналога смесителя 14-26/0-8 ГГц.

По графикам на рисунках 4 а-г наблюдается качественное совпадение расчётных и экспериментальных характеристик.

Представленный смеситель является прямым аналогом зарубежного кристалла от компании HITTITE HMC260. Характеристики разработанного смесителя находятся на уровне аналога [12]. Точка пересечения интермодуляционных искажений третьего порядка по входу: расчётная модель - IIP3 = 18 дБм, экспериментальный образец - IIP3 = 15 дБм, зарубежный аналог - IIP3 = 20 дБм. Данные по IIP3 получены при FT = 21 ГГц; Рг = 13 дБм; Fm = Fc - Fг = 1 ГГц; AFc = 10 МГц.

На рис. 5 показан внешний вид балансных смесителей.

Двойные балансные смесители 2-20/0-4 ГГц и 6-36/0-30 ГГц

В настоящий момент наибольшее распространение среди смесителей СВЧ получили двойные балансные смесители (ДБС) [13]. Это связано с тем, что ДБС имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами смесителей, как балансными, так и тройными балансными.

В данной работе рассматриваются два различных варианта двойных балансных смесителей. Первый, близкий конструктивно описанному в [14], реализован на широкополосном копланарно-щелевом диплексере по схеме звезда. Второй - на основе квадратурного от-ветвителя Ланге и системе возбуждения диодов щелевыми резонаторами.

ДБС по схеме звезда построен на основе планарного диплексера, в котором входной сигнал поступает на диоды по копланарной линии в небалансном режиме (нечётной моде), а сигнал гетеродина трансформируется из нечётной моды в чётную. Другими словами, входной сигнал передаётся по копланарной линии, а сигнал гетеродина возбуждает щелевую линию, образованную земляными обкладками копланарной линии входного сигнала. Далее сигнал разделяется на два канала с различным соотношением фаз входного сигнала и гетеродина (рис 6 б). Диоды включены по схе-

' —1 г

О

LO

а)

Перемычки

Переходное отберстие

/F

\

Согласующий резистор

LO

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

б)

Рис. 6. Структурная схема (а), эскиз конструкции (б) и внешний вид (в) ДБС по схеме звезда

ме «звезда» (рис. 6 а), что обеспечивает высокий уровень (около 30 дБ) развязки сигнальных входов и тракта ПЧ без использования фильтров.

Частота, ГГц

Рис. 7 a. Коэффициент преобразования

(Fm = Fc - Fr = 100 МГц; Рг = 17 дБм)

-Рагчрт -±-Макрт — Анялпг

% — %

f / \

А >— / л / л

A 4 ч \ \ л /

tl ( \ /

f V \ /

H 1

fr V

0 5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рис. 7 в. Развязка Гетеродин-ПЧ

Частота, ГГц

Рис. 7 б. Коэффициент преобразования (Fr = 10 ГГц; Рг = 17 дБм; Fc > Fr)

m / /

/ £ J f- » / Л A 1

7 \ i 1 V

+ 1 t

/

— rdUHei -*-|VldKei --HHdJIUI

О 5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рис. 7 г. Развязка Гетеродин-Сигнал

Данная конструкция смесителя имеет ограничения по диапазону рабочих частот, связанные с наличием в трактах короткозамкнутых отрезков линий. Несмотря на это возможно реализовать широкополосность входных сигналов порядка 10:1 и осуществить перекрытие диапазона ПЧ вплоть до середины диапазона частот входного сигнала с обеспечением соответствующих развязок.

На рис. 7 а-г представлены результаты компьютерного моделирования, экспериментального обследования и рекламируемые характеристики зарубежного аналога смесителя 2-20/0-4 ГГц.

Сравнение представленных зависимостей показывает хорошее совпадение расчётных и экспериментальных данных. Также можно сделать вывод, что разработанный макет смесителя превосходит прямой зарубежный аналог от компании HITTITE, модель HMC1048LC3B, практически по всем параметрам [12].

Идея схемно-конструктивного решения

ДБС на ответвителе Ланге заключается в синфазном сложении на выходе ПЧ сигналов промежуточной частоты от двух балансных смесителей, расположенных на разных плечах от-ветвителя. Принцип работы смесителя поясняется структурной схемой и эскизом конструкции, представленными на рис. 8.

Особенность проектирования смесителя связана с реализацией сверхширокополосного ответвителя Ланге и оптимальным выбором способа возбуждения щелевых резонаторов, формирующих сигналы гетеродина.

В корпусе смесителя установлена тонкая металлическая пластина, на которую с одной стороны устанавливается плата ответвителя Ланге, с другой - плата делителя мощности. Ответвитель Ланге осуществляет разделение входного сигнала на два канала со сдвигом фаз 90°. Сигнал гетеродина поступает на вход равноплечего кольцевого делителя мощности типа Вилкинсона, а далее с помощью разомкнутого шлейфа возбуждает щелевой резонатор, который вырезан в металлизации на обратной сто-

роне платы. Для предотвращения замыкания резонаторов в пластине и обратной металлизации платы ответвителя Ланге вырезаны соответствующие отверстия. Резонатор формирует противофазный сигнал в полосе частот гетеродина. Диоды подключены к концам выходных линий ответвителя Ланге и к разным сторонам щелевого резонатора по середине его длины по балансной схеме относительно сигнала гетеродина. Диоды ориентированы так, что в разных каналах они открываются сигналом гетеродина противофазно.

Наличие гальванической связи выхода сигнала ПЧ с одним из плеч смесителей позволяет работать с нулевой ПЧ (в режиме фазового детектора), что является преимуществом по сравнению с тройными балансными смесителями и расширяет область применения.

На рис. 9 а-г представлены результаты компьютерного моделирования и эксперимен-

тального обследования смесителя на ответви-теле Ланге диапазона 6-36/0-30 ГГц.

Преимуществами данной конструкции являются наличие высокого уровня изоляции каналов (более 30 дБ), а также перекрытие по сигналу промежуточной частоты от 0-30 ГГц, что значительно больше, чем у смесителей других типов.

Сравнение результатов показывает отличное совпадение расчётных и экспериментальных характеристик. Это позволяет проектировать смесители со сложной трёхмерной конструкцией с применением современных САПР, что резко сокращает время, необходимое на разработку устройства.

Литература

1. Беляев Д.В. Тенденции развития детекторов и смесителей СВЧ // Известия ЮФУ. Технические науки. 2006. № 9-1. C. 165.

2. Maas S. Nonlinear Microwave and RF. Boston: Artech House, 2003. 570 p.

5 10 15 20 25 30 35

Частота, ГГц

Рис. 9 а. Коэффициент преобразования

(Fm = Fe - FT = 1 ГГц; Рг = 20 дБм)

-20

Ч -30

га -40

-50

-60

10

30

15 20 25 Частота, ГГц

Рис. 9 в. Развязка Гетеродин-ПЧ

35

40

NIMM 1 MIM MM

-насчет макеп l \

Г [f. \ \ x

I 1 'V \

V

\)

40

0 5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рис. 9 б. Коэффициент преобразования (Fr = 10 ГГц; Рг = 20 дБм; Fc > Fr)

I 5 10 15 20 25 30 35 Частота, ГГц

Рис. 9 г. Развязка Гетеродин-Сигнал

40

3. Дроздов А.В. Интегральные широкополосные умножители и смесители СВЧ на основе GaAs диодов Шоттки: автореферат ... дисс. канд. техн. наук. Томск, 2018. 19 с.

4. Каталог АО «НПФ «Микран» СВЧ-Микроэлектроника [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://download.micran.ru/kia/catalog/ C СВЧ-микроэлектроника RU 1 03 WEB.pdf (дата обращения: 10.10.2019).

5. Каталог АО «НИИ III» [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://mmic.niipp.ru/ datasheetMM602.pdf (дата обращения: 10.10.2019).

6. Lee Y.-C., Lin C.-M, Hung S.-H., Su C.-C., Wang Y.-H. A Broadband Doubly Balanced Monolithic Ring With A Compact Intermediate Frequency (IF) Extraction // Progress In Electromagnetics Research Letters. 2011. Vol. 20. Pp. 175-184.

7. Qin L., Zhigon W., Leijun X. A millimeter-wave monolithic doubly balanced diode mixer // Journal of Semiconductors. Marth 2010. Vol. 31. No. 3.

8. Бабак Л.И., Черкашин М.В., Ф.И. Шеерман и др. Разработка СВЧ монолитных интегральных схем, библиотек элементов и модулей САПР в Томском университете систем управления и радиоэлектроники // Обмен опытом в области создания сверхширокополосных радиоэлектронных систем. Материалы VI общероссийской научно-

технической конференции / Омск, 19-20 апреля 2016 г. Омск: изд-во ОМГТУ, 2016. С. 4-19.

9. Карпов Ю. Смесители, преобразователи, умножители и делители частоты СВЧ-диапазона отечественного производства // Компоненты и технологии, 2008. № 9. С. 22-27.

10. Щитов А.М. Диодные преобразователи частоты для радиоизмерительной аппаратуры СВЧ- и КВЧ-диапазонов: монография / А.М. Щитов [и др.] под ред. А.М. Щитова. Нижний Новгород: Нижего-род. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2016. 196 с.

11. Березин В.В., А.М. Щитов Методика расчета и проектирования волноводного диодного утрои-теля частоты 75-110 ГГц // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Вып. 4. Т. 18. С. 11-17.

12. Каталог Analog Devices [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.analog.com/en/ index.html (дата обращения: 10.10.2019).

13. Шевляков М. Обзор схем диодных двойных балансных смесителей // Компоненты и технологии. 2009. № 1. С. 50-53.

14. Patent USA No. 4739519. Coplanar Microwave Balun, Multiplexer And Mixer Assemblies / E. C. Findley. Filed: Oct. 31, 1985; Date of Patent: Apr. 19, 1988.

Поступила 24 октября 2019 г.

English

FEATURES OF DESIGNING BROADBAND DIODE VHF MIXERS

Alexander Aleksandrovich Chilikov - Post-graduate Student, Department of Quantum Radio-physics and Electronics, Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod (UNN)1; 2nd Category Design Engineer, JSC "R&PC "Technoyaks"2.

E-mail: chilikov@tehnojaks.ru.

Arkadiy Maksimovich Schitov - Doctor of Engineering Sciences, Senior Researcher; Chief researcher, JSC "R&PC "Technoyaks"2.

E-mail: schitoff@mail.ru. 1 Address: 603950, Russian Federation, Nizhny Novgorod, Gagarin Ave., 23. 2Address: 105484, Russian Federation, Moscow, 16th Parkovaya street, 30.

Abstract: Current trends in designing mixers are meant to expand operating frequency range, to increase channel isolation to reduce the size. Using monolithic technology can significantly reduce product size but it limits design implementation methods. In view of this, hybrid technology is used when developing mixers with the broadest possible operating frequency range (10:1 and more) and overlapping input signal ranges (Fs), heterodyne signal (Fg) and intermediate frequencies (Fif). Features of designing hybrid broadband diode balanced and dual balanced mixers in the range of 2-36 GHz are examined. Balanced mixers are most preferable when Fs, Fg ranges are significantly higher than intermediate frequency range. One of the possible options for these mixers is the circuit of two-diode mixer with diplexer and formation of heterodyne counter-phase signal in slot-coupled cavity. As per this circuit two mixers are developed: 5-25 / 0-3 GHz and 14-26 / 0-8 GHz with 10 dB conversion loss and heterodyne channel isolation of about 30 dB. Two original designs of double balance mixers are proposed and implemented. The first mixer based on broadband coplanar-cavity diplexer as per star-shape has Fs and Fg range of 2-20 GHz, 0-4 GHz Fif, conversion losses are no more than 10 dB and heterodyne channel isolation is more than 30 dB across the entire range. The second Lange coupler-based mixer has Fs and Fg frequency range of 6-36 GHz and 0-30 GHz Fif, conversion losses are no more than 14 dB and heterodyne channel isolation is more than 30 dB across the entire range. Modeling with three-dimensional electrodynamic analysis was used in the research work. That enabled to significantly reduce the time for product development and to exclude or minimize the adjustment. Close agreement between calculated and experimental characteristics was obtained.

Keywords: VHF mixer, broadband mixer, balance mixer, double balance mixer, electrodynamic calculation, mixer's nonlinear analysis, modeling.

References

1. Belyaev D.V. Trends in microwave detectors and mixers. Izvestiya SFedU. Engineering sciences. 2006. No. 9-1. P. 165.

2. Maas S. Nonlinear Microwave and RF. Boston: Artech House, 2003. 570 p.

3. Drozdov A.V. Integral broadband multipliers and microwave mixers based On GaAs Schottky diodes: abstract... Cand. tech. sciences Thesis. Tomsk, 2018. 19 p.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

4. Catalog of JSC "NPF "Mikran" Microwave Microelectronics [Electronic source]. URL: https://download.micran.ru/kia/catalog/C СВЧ-микроэлектроника RU 1 03 WEB.pdf (access date: 10.10.2019).

5. Catalog "NIIPP" [Electronic source]. URL: https://mmic.niipp.ru/datasheet/MM602.pdf (access date: 10.10.2019).

6. Lee Y.-C., Lin C.-M., Hung S.-H., Su C.-C., Wang Y.-H. A Broadband Doubly Balanced Monolithic Ring With A Compact Intermediate Frequency (IF) Extraction. Progress In Electromagnetics Research Letters. 2011. Vol. 20. Pp. 175-184.

7. Qin L., Zhigon W., Leijun X. A millimeter-wave monolithic doubly balanced diode mixer. Journal of Semiconductors. Marth 2010. Vol. 31. No. 3.

8. Babak L. I., Cherkashin M.V., Sheerman F.I. et al. Development of microwave monolithic integrated circuits, libraries of elements and CAD modules at Tomsk University of control systems and Radioelectronics. Exchange of experience in the field of creation of ultra-wideband electronic systems. Proceedings of the VI all-Russian scientific and technical conference. Omsk, April 19-20, 2016. Omsk: publishing house OMSTU, 2016. Pp. 4-19.

9. Karpov Yu. Mixers, converters, multipliers and dividers of microwave frequency of domestic production. Components and technologies, 2008. No. 9. Pp. 22-27.

10. Shchitov A.M. [and others] Diode frequency converters for radio equipment of the microwave and EHF-ranges: monograph. Edited by A.M. Shchitov. Nizhny Novgorod: NNSTU, 2016. 196 p.

11. Berezin V.V., Shchitov A.M. Method of calculation and design of waveguide diode triplier frequency 75-110 GHz. Physics of wave processes and radio systems. 2015. No. 4. Vol. 18. Pp. 11-17.

12. Catalog Analog Devices [Electronic source]. URL: https://www.analog.com/en/index.html (access date: 10.10.2019).

13. Shevlyakov M. Review of schemes of diode double balance mixers. Components and technologies. 2009. No. 1. Pp. 50-53.

14. Patent USA No. 4739519. Coplanar Microwave Balun, Multiplexer And Mixer Assemblies. E.C. Findley. Filed: Oct. 31, 1985; Date of Patent: Apr. 19, 1988.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.