Преобразователь квч

 

Использование: радиотехника КВЧ-диапазона. Сущность изобретения: преобразователь содержит отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его E-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копламарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель. На другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линий. Генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр. На другом конце отрезка прямоугольного волновода размещен дополнительный короткозамыкатель в виде металлической вставки, в которой выполнена продольная прорезь под диэлектрическую подложку, ширина прорези выбрана больше толщины подложки. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в приемно преобразовательных устройствах КВЧ-диапазона для связи радиолокации, радиометрии и т. д.

Известен преобразовательный модуль, состоящий из малошумящего смесителя, усилителя промежуточной частоты и гетеродинного генератора. Этот модуль является простым соединением трех этих элементов в одном корпусе и гибридно-интегральные платы выполняются отдельно и независимо, поэтому интеграция элементов в таком модуле приводит к созданию довольно сложного устройства, имеющего большую массу, габариты и трудоемкость изготовления.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является преобразователь КВЧ, содержащий отрезок прямоугольногно волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды. Кроме того, на подложке установлен генераторный диод, включенный во второй щелевой отрезок, расположенный перпендикулярно копланарному отрезку, для которой в корпусе преобразователя должен быть предусмотрен второй волноводный канал, выполненный ортогонально входному сигнальному каналу. Имеются также фильтры промежуточной частоты и питания генераторного диода, а также КЗ-поршень в канале гетеродина. Таким образом, все элементы схемы выполнены на одной общей плате. Однако, так как в этом модуле топология гибридно-интегральной схемы выполнена на одной стороне диэлектрической подложки и основной тип линии - односторонняя волноводно-щелевая линия, то это приводит к росту прямых вносимых потерь и изрезанности КСВН входного и гетеродинного трактов из-за неизбежной утечки части мощности КВЧ, разной на разных частотах, в зазор между двумя половинами корпуса, где размещается диэлектрическая подложка, выступающая за волноводный канал. Физической причиной этого является принципиальная асимметрия односторонней волноводно-щелевой линии передачи в КВЧ-диапазоне из-за конечной толщины подложки ГИС, соизмеримой с размерами волновода, что приводит к возникновению составляющей поля КВЧ, способной к распространению в плоскости зазора. Кроме того, односторонняя щелевая линия не может обеспечить волнового сопротивления, оптипального для согласования линии со смесительными диодами. Так наименьшее волновое сопротивление односторонней волноводно-щелевой линии при ε= 2-4 не менее 100 Ом, а для согласования с реальными смесительными диодами КВЧ-диапазона линия должна иметь волновое сопротивление меньше (до 30-50 Ом). В конструкции прототипа все это приводит к повышенным потерям преобразования. Кроме того, в конструкции прототипа имеется сравнительно узкополосный переход в тракте гетеродинного сигнала со щелевой линии к копланарной, а корпус имеет два ортогональных волноводных канала вместо одного, что усложняет конструкцию корпуса и увеличивает габариты.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и потерь преобразования.

Указанная цель достигается тем, что в известном преобразователе КВЧ, содержащем отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель, новым является то, что на другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линии, а генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр ПЧ.

На фиг. 1 показан предлагаемый преобразователь; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 2 - короткозамыкатель, предложенный специально для использования в такого типа модулях.

Схема платы ГИС, изображенная на фиг. 1 с двух разных сторон (фиг. 1 а, б), располагается в Е-плоскости волновода (фиг. 2) и содержит диэлектрическую подложку 1, на которой сформирован щелевой отрезок 2, образованный основными и дополнительными первым и вторым слоями металлизации на обеих сторонах пдложки, смесительные диоды 3, размещенные на одной стороне подложки, генераторный диод 4, фильтр 5 цепи питания диода 4, фильтр ПЧ 6, являющийся продолжением отрезка копланарной линии 7, образованного основными и дополнительными первым, вторым и третьим слоями металлизации на обеих сторонах подложки. На фиг. 1 условно изображено положение короткозамыкателя 8, а пунктирной линией показан край волноводного канала 9.

В варианте выполнения короткозамыкателя, показанном на фиг. 3, последний состоит из стержня 10, сечением примерно равным сечению волноводного канала преобразователя, и имеет прорезь в центре. При этом короткозамыкатель может быть выполнен в виде металлической вставки 10 (сечением, примерно равным сечению волноводного канала преобразователя), в которой, например в центре, выполнена продольная прорезь 11 под диэлектрическую подложку.

Преобразователь КВЧ работает следующим образом.

Принимаемый сигнал с входа двусторонней симметричой волноводно-щелевой линии поступает на переход от щелевой 2 к копланарной линии 7 к смесительным диодам 3, установленным на одной из сторон подложки ГИС, в противофазе. Сигнал гетеродина поступает к смесительным диодам 3 в фазе от гетеродинного генератора, схема которого сформирована с другой стороны подложки полуволновым резонатором, образованным отрезком копланарной линии 7 и включенным генераторным диодом 4 в центре его. Сигнал ПЧ выводится через фильтр ПЧ 6, образованный продолжением отрезка копланарной линии 8 со стороны включения смесительных диодов, а питание к генераторному диоду 4 подводится через фильтр цепи питания 5 на другой стороне подложки.

Двусторонняя симметричная волноводно-щелевая линия (ДВШЛ), образованная основным и дополнительными первым и вторым слоями металлизации, позволяет исключить или значительно уменьшить вносимые потери за счет устранения утечки мощности в зазор между двумя половинками корпуса, где размещается диэлектрическая подложка. Кроме того, устраняется изрезанность КСВН по входу и в ДВШЛ можно достичь волновое сопротивление порядка 50 Ом, что является оптимальной величиной для согласования линии со смесительными диодами. Все это позволяет существенно уменьшить потери преобразования смесителя и всего модуля. При этом за счет увеличения широкополосности тракта в связи со снижением изрезанности АЧХ у ДВШЛ расширяется полоса рабочих частот модуля.

Выполнение отрезка копланарной линии с двух сторон симметрично относительно диэлектрической подложки и делает эту линию по электродинамическим свойствам аналогичной высокодобротной микрополосковой линии передачи. Включение генераторного диода, например диода Ганна, в полуволновый отрезок этой линии позволяет создать стабильный гетеродинный генератор. Двусторонняя металлизация, кроме того, позволяет развязать по постоянному току цепи смесительных и генераторного диодов, без чего объединение смесительного и гетеродинного трактов было бы невозможно.

Двусторонняя симметричная копланарная линия передачи, обладая вмеси положительными свойствами высокодобротной микрополосковой линии, имеет преимущество - в ней сравнительно просто без снижения добротности реализуются малые волновые сопротивления порядка 50-100 Ом, что необходимо для лучшего согласования линии как со смесительными, так и с генераторным диодом.

Таким образом, применение ДВШЛ одновременно позволяет в одной конструкции модуля решить срезу несколько противоречивых задач и устранить главные принципиальные недостатки прототипа.

Предлагаемая конструкция приемного модуля КВЧ позволяет одновременно существенно упростить корпус, уменьшить объем механической обработки его в связи с наличием только одного волноводного канала и отсутствием второго ортогонально расположенного канала, что упрощает и ориентирование платы ГИС при постановке ее в корпус. Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция позволяет уменьшить потери преобразования, т. е. повысить чувствительность приемного модуля, уменьшить габариты гибридно-интегральной платы и корпуса, упростить и снизить трудоемкость изготовления корпуса и, как следствие, улучшить массогабаритные характеристики и технологичность изготовления преобразователя.

Одной из особенностей КВЧ-диапазона является сильное влияние паразитных параметров полупроводниковых приборов на характеристики схемы, в связи с чем естественный разброс параметров от прибора к прибору приводит к различию основных характеристик модулей друг от друга при идентичной топологии схемы.

Наиболее критичным параметром преобразователя модуля является центральная рабочая частота. Подстройка КВЧ-модуля посредством короткозамыкающих перемычек методом последовательных приближений требует многократной разборки модуля и является очень трудоемкой. Введение волноводного КЗ-поршня в волноводный канал с обратной стороны от сигнального входа слабо влияет на параметры модуля и требует существенного увеличения размеров корпуса. Предложено это противоречие разрешить тем, что в волноводный канал корпуса со стороны, противоположной сигнальному входу, вводится короткозамыкатель, имеющий прорезь в Е-плоскости шириной больше толщины подложки. Пример конкретного выполнения такого короткозамыкателя показан на фиг. 3, где металлическая вставка 10 сечением, примерно равным внутреннему сечению волноводного канала преобразователя, имеет в центре продольную прорезь 11. Ширина прорези выполняется несколько больше толщины подложки ГИС, что позволяет перемещать стержень в волноводном канале несмотря на наличие в Е-плоскости волновода платы ГИС. Прорезь выполняется методом искровой обработки. Эксперименты показали высокую эффективность действия такого короткозамыкателя в качестве настроечного элемента.

Предложенная конструкция опробована в ходе выполнения одной из НИР. Параметры смесительной части модуля получены на уровне мировых достижений в соответствующем диапазоне длин волн. Подтверждена работоспособность предложенной конструкции при существенно лучших массогабаритных параметрах и способности к массовому производству, чем у модулей, объединяющих смеситель и гетеродин, изготовленные независимо друг от друга. В ряде применений, где масса и габариты комплектующих элементов влияют на стоимость изделия в целом решающим образом, экономическая эффективность предложенного технического решения будет довольно высокой. (56) Mensel Wetal Integvated fin-line Components fov radow and radiometer Application Cons. Proc. Military Microwaves 82 London Englad, 1982, p. 452, fig. 5.

Формула изобретения

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КВЧ, содержащий отрезок прямоугольного волновода, один конец которого является сигнальным входом, а в его Е-плоскости установлена диэлектрическая подложка, на одной стороне которой расположены первый, второй и третий слои металлизации, первый и второй из которых образуют щелевой отрезок, подключенный к копланарному отрезку, образованному первым, вторым и третьим слоями металлизации, через противофазный делитель, в выходные плечи которого параллельно и встречно включены смесительные диоды, генераторный диод, подключенный к фильтру цепи питания, и короткозамыкатель, отличающийся тем, что, с целью уменьшения габаритов и потерь преобразования, на другой стороне диэлектрической подложки расположены введенные дополнительные слои металлизации, выполненные идентично первому, второму и третьему слоям, размещены напротив них и образуют дополнительные отрезки щелевой и копланарной линий, а генераторный диод включен в дополнительный копланарный отрезок, длина которого выбрана полуволновой и на конце которого установлен короткозамыкатель в виде слоя металлизации, который совместно с центральным проводником копланарного отрезка образует микрополосковый фильтр ПЧ.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что, с целью упрощения настройки, на другом конце отрезка прямоугольного волновода размещен дополнительный короткозамыкатель в виде металлической вставки, в которой выполнена продольная прорезь под диэлектрическую подложку, при этом ширина прорези выбрана больше толщины подложки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3