CC BY
9
Проектирование и исследование микроволнового балансного смесителя
на комбинациях линий передачи
Е.Н. Осадчий Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: В работе спроектирован и исследован микроволновый балансный смеситель на комбинациях линий передачи. Исследованы два разработанных макета балансных смесителей на платах различных диэлектрических материалов. Результаты измерений параметров смесителей показали результаты, лучшие чем у смесителей, построенных по традиционным схемам на микрополосковых линиях.
Ключевые слова: балансный смеситель, комбинация линий передач, гибридное устройство, схема электрическая, кольцевой мост, четвертьволновый разомкнутый шлейф, потери преобразования, диэлектрик, микрополосковая линия, щелевая линия.
Анализ информационных источников и сведений по разработке смесителей СВЧ позволяет сделать вывод, что реализация смесителя с заданными параметрами является сложной задачей. Сложность реализации таких смесителей СВЧ заключается в том, что развязать сигналы входных частот и гетеродина является проблемной задачей.
Наибольшее распространение получили СВЧ балансные смесители, схемные примеры построения которых приведены на рис. 1 [1], где: а - схема с двухшлейфным гибридным соединением (ГС); б - схема с кольцевым (180°) ГС; в - схема с кольцевым (90°) ГС и отрезком длиной А,0/4; г - схема с направленным трёхдецибельным ответвителем (Сф емкость фильтра НЧ); fc, fr, fm - частота сигнала, гетеродина и промежуточной; - длина волны на центральной полосе диапазона.
В приведённых схемах получены полосы входных частот соответственно: 18% (при трёхшлейфном ГС 28%); 10% и развязки fc/fr: (1820) дБ; 20 дБ; 20 дБ; 10 дБ, которые несколько улучшаются при введении отрезка длиной ^0/4, как показано на рисунке 1, в. Во всех схемах применяют разнополярное включение диодов и объединенный выход по ПЧ. Следует иметь в виду, что при высоких ПЧ необходимо обеспечить фазировку
и
выходных сигналов.
с
б
а<>/4№4*
ь-
с
4№
Ьпч
с
Сф
й-
НИ
А>/4
Сф
Ьпч —►
в
Рис. 1. - Схемные построения балансных смесителей Основное преимущество приведенных схем заключается в принципиальной возможности обеспечения достаточно хорошей развязки и в низкой плотности интермодуляционных помех. Однако с увеличением полосы входных частот развязка падает, что связано с применением ГС на распределённых линиях передачи. Этот недостаток компенсируется в схемах двойных балансных смесителей, которые применяются при использовании технологии интегральных схем СВЧ.
Анализируя публикации последних лет, посвящённые конструированию схем смесителей СВЧ можно проследить характер изменения внимания разработчиков к различным типам линий передач для построения схем. На рис. 2 по вертикали отложены проценты выполнения схем СВЧ смесителей частоты с использованием тех или иных линий передачи [2]. Как следует из графика рис. 1 наибольшее распространение сегодня получают микроволновые смесители, создаваемые на основе
а
т,
с
г
микрополосковых линий передач (МПЛ) и комбинациях линий различного типов.
Рис. 2. - Конструирование схем смесителей СВЧ на различных типах
линий передачи по годам
Однако, использовать традиционные схемные решения для создания смесителей СВЧ не представляется возможным из-за сравнительной близости значений частот сигнала и гетеродина в сравнительно широком диапазоне частот. В связи с этим в данной работе была сделана попытка использовать нетрадиционные схемные решения для создания смесителя с нужными параметрами. Предложен вариант смесителя СВЧ, схема электрическая которого изображен на рис. 3.
Рис. 3. - Электрическая схема балансного смесителя
Данная конструкция проста и не требует повышенной точности изготовления. Использование комбинаций линий передач различного типа в данной конструкции позволило получить развязку между сигналами входных частот и гетеродина на уровне двадцати децибел (20 дБ), развязка между входом и выходом (/С -/ПЧ) - примерно сорок децибел (40 дБ).
Смеситель разработан по балансной схеме и представляет собой гибридное устройство с использованием различных линий передач. Данное устройство не только позволяет существенно улучшить габаритные показатели конструкции, но и обеспечивает минимальную длину соединительных линий передач, а, следовательно, и малые паразитные индуктивность и емкость соединения входного (гетеродинного) каскада балансного смесителя с диодами, что особенно критично при реализации СВЧ балансных смесителей [3 - 5].
Разработанный балансный смеситель состоит из кольцевого моста (КМ) и шлейфных переходов щелевая линия - микрополосковая линия (ЩЛ - МПЛ). Эскиз топологии смесителя приведен на рис. 4. Пунктирными линиями обозначены микрополоковые линии на обратной стороне платы.
Рис. 4. - Топологический чертеж балансного смесителя
В кольцевой мост непосредственно в щелевую линию кольца включены два диода на расстоянии четверти длины волны (0,25 X) от входа сигнала (Рс), образованного МПЛ, заканчивающейся за щелевой линией кольца четвертьволновым разомкнутым шлейфом. Диаметрально-противоположная точка кольца соединена четвертьволновым отрезком щелевой линии с переходом на МПЛ, которая является входом для сигнала гетеродина. В переходе за местом пересечения линий передачи МПЛ заканчивается четвертьволновым разомкнутым шлейфом, а щелевая линия - размыкателем, который представляет собой круг (щелевой резонатор) с удаленным слоем металла. Выход сигнала промежуточной (разностной) частоты (/ПЧ) осуществляется через фильтр нижних частот (ФНЧ). Развязка между портами гетеродина и выходным сигналом (/ПЧ) обусловлена экспоненциальным затуханием поля в щелевой линии в поперечном направлении и достигает более 25 дБ [6, 7].
Для получения более высокой развязки между входом гетеродина и выходным сигналом промежуточной частоты необходимо подключить фильтр нижних частот, который обеспечит прохождение сигнала промежуточной частоты и заграждение входного сигнала и сигнала гетеродина [8].
Смеситель разрабатывался на следующие частотные параметры:
- частота входного сигнала: 6,0 - 7,0 ГГц:
- частота гетеродина: 5, 5 - 6,5 ГГц;
- промежуточная частота: 0,5 ГГц (500 МГц).
Для макетирования смесителя в качестве платы был использован фольгированный диэлектрик марки ФЛАН-10 с диэлектрической проницаемостью £г = 10 толщиной 1 миллиметр.
N Инженерный вестник Дона, №12 (2020) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl2y2020/6724
Результаты экспериментальных исследований разработанного смесителя СВЧ на комбинациях линий передач в диапазоне входных частот показали следующие результаты:
- При входной мощности гетеродина 10 мВт (милливатт) смеситель имел потери преобразования Ьпр = 5,8 - 7,0 дБ;
- развязка между сигнальным и гетеродинным портами Ьр> 20 дБ;
- развязка между гетеродинным и выходным портом промежуточной частоты (ПЧ) Ьр> 23 дБ.
При уменьшении мощности гетеродинного сигнала до 5 мВт потери преобразования смесителя возрастали до 14 мВт. При мощности гетеродина 1 мВт преобразовательные свойства смесителя терялись.
В ходе работы была рассчитана топология платы балансного смесителя на материале RT/duroid 5870 (вг = 2.33). На данной топологии вместо кольцевого моста использовался прямоугольный мост. Эскиз такой топологической платы показан на рис. 5.
Рис. 5. - Эскиз топологической платы балансного смесителя В ходе экспериментального исследования смесителя на материале RT/duroid 5870 были получены результаты, ненамного отличающиеся от макета смесителя на плате из ФЛАН-10:
- потери преобразования Ьпр = 6,2 - 7,4 дБ при мощности гетеродина 10
мВт;
- развязка сигнал - гетеродин Ьр> 18 дБ;
- развязка гетеродин - ПЧ Lр> 20 дБ.
При расчете топологических плат смесителя (рис. 3) использовались следующие формулы для расчета:
Длины отрезков линий ¡1 - ¡5 рассчитывались по следующим формулам:
Волновые сопротивления передающих линий определялись следующим образом:
— 50 ом; = г1л[2] — 2г1.
В ходе экспериментального исследования обоих макетов балансного смесителя на комбинациях линий передач были получены значения по потерям преобразования и по изоляции портов прибора, лучшие, чем у традиционных схем смесителей в микрополосковом исполнении [9,10], показанных на рис. 1.
Литература
1. Белоус А.И., Мерданов М.К., Шведов С.В. СВЧ-электроника в системах радиолокации и связи. Техническая энциклопедия в 2-х книгах. -М,: Техносфера, 2016. 1416 с.
2. Белов Л.А. Преобразователи частоты. Современные ВЧ компоненты. Электроника: Наука, Технологии, Бизнес. - 2004, № 2, С. 44-50.
3. Зикий А.Н., Плёнкин А.П. Смеситель дециметрового диапазона на комбинации линий передачи. Инженерный вестник Дона, 2016, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3701
4. Зикий А.Н., Зламан П.Н., Бондаренко Л.В., Плёнкин А.П. Двойной балансный смеситель на симмметрирующих трансформаторах. Вопросы специальной радиоэлектроники, серия Общие вопросы радиоэлектроники, 2010, №1, С.101-105.
5. Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. - М.: Техносфера, 2006. - 216 c.
6. Пустовалов А.И. Двухканальное приемное устройство СВЧ диапазона. Инженерный вестник Дона, 2010, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/195.
7. Зикий А.Н., Зламан П.Н., Плёнкин А.П., Мухин Н.А. Моделирование и экспериментальное исследование субгармонического смесителя. Электронный журнал «Информационное противодействие угрозам терроризма», 2011, №17, С.131-135.
8. Maas S. Microwave Mixers. Artech House, 1993. 375p.
9. Tsui James Bao-Yen. Receivers with Electronic Warfare Applications, 2016. 460p.
10. Moskaliuk V. Simplified analytical model of resonant-tunneling diode
Abstracts Proceedings of 32nd International Spring Seminar on Electronics
Technology "ISSE 2009". - Brno, Czech Republic. 2009. pp. 1-5.
References
1. Belous A.I., Merdanov M.K., Shvedov S.V. SVCH-elektronika v sistemakh radiolokatsii i svyazi [Microwave electronics in radar and communication systems]. Tekhnicheskaya entsiklopediya v 2-kh knigakh. M: Tekhnosfera, 2016. 1416 p.
2. Belov L.A. Elektronika: Nauka, Tekhnologii, Biznes. [Electronics: Science, Technology, Business] 2004, № 2, pp. 44-50.
3. Zikiy A.N., Plenkin A.P. Inzhenernyj vestnik Dona, 2016, № 3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n3y2016/3701.
4. Zikiy A.N., Zlaman P.N., Bondarenko L.V., Plenkin A.P. Voprosy spetsial'noy radioelektroniki, seriya Obshchiye voprosy radioelektroniki, 2010, №1. pp.101-105.
5. Dzhurinskiy K.B. Miniatyurnyye koaksial'nyye radiokomponenty dlya mikroelektroniki SVCH [Miniature coaxial radio components for microwave microelectronics]. M.: Tekhnosfera, 2006. 216 p.
6. Pustovalov A.I. Inzhenernyj vestnik Dona, 2010, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2010/195.
7. Zikiy A.N., Zlaman P.N., Plenkin A.P., Mukhin N.A. Elektronnyy zhurnal «Informatsionnoye protivodeystviye ugrozam terrorizma», 2011, №17, pp.131135.
8. Maas S. Microwave Mixers. Artech House, 1993. 375 p.
9. Tsui James Bao-Yen. Receivers with Electronic Warfare Applications, 2016. 460 p.
10. Moskaliuk V. Simplified analytical model of resonant-tunneling diode Abstracts Proceedings of 32nd International Spring Seminar on Electronics Technology "ISSE 2009". Brno, Czech Republic. 2009. pp. 1-5.
