Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние методов проектирования и уровень технического развития СВЧ преобразователей частоты 14
1.1 Особенности применения микрополосковых диодных преобразователей частоты в аппаратуре СВЧ диапазона 14
1.2 Анализ методов расчета и проектирования схем и конструкций СВЧ преобразователей частоты 20
1.2.1 Смесители 20
1.2.2 Умножители частоты 34
1.2.3 Многофункциональные преобразователи частоты 47
1.3 Вопросы автоматизации проектирования СВЧ преобразователей частоты 49
1.4 Выводы - задачи исследования 58
Глава 2 Расчет и автоматизированное проектирование СВЧ смесителей 59
2.1 Смесители проходного типа 60
2.2 Смесители с диплексером 80
2.3 Анализ результатов расчёта смесителей 82
2.4 Выводы 84
Глава 3 Расчет и автоматизированное проектирование СВЧ умножителей частоты 86
3.1 Балансный удвоитель частоты на ДБШ 86
3.2 Балансный утроитель частоты на ДБШ 91
3.3 Выводы 106
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований микрополосковых диодных СВЧ преобразователей частоты 108
4.1 Смесители проходного типа, смесители с диплексером 108
4.2 Удвоители частоты на ДБШ 1 4.3 Угроители частоты на ДБШ 112
4.4 Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты 114
4.4.1 Умножитель частоты 0,5-16 ГГц 114
4.4.2 Умножитель частоты на 32 ГГц, 48 ГГц, 44 ГГц 116
4.5 Выводы 119
Заключение 121
Список сокращений 123
Список литературы 125
Приложение Результаты расчета и оптимизации смесителей различных диапазонов 137
- Смесители
- Вопросы автоматизации проектирования СВЧ преобразователей частоты
- Балансный утроитель частоты на ДБШ
- Умножитель частоты на 32 ГГц, 48 ГГц, 44 ГГц
Введение к работе
Актуальность темы
Принцип действия большинства аппаратуры СВЧ диапазона основан на использовании преобразователей частоты. Это входные приемные устройства, преобразующие спектр частот СВЧ сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, или выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ диапазон для передачи к измеряемому объекту.
Для преобразования частоты СВЧ сигналов используются полупроводниковые приборы различного принципа действия и назначения, на основе которых разрабатывается широкая номенклатура преобразователей частоты: детекторы, смесители, стробоскопические преобразователи, умножители, делители, генераторы гармоник, модуляторы.
Наибольшее распространение получили диодные преобразователи частоты. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей частоты в радиоприемных устройствах (РПУ) и аппаратуре см- и мм- диапазонов длин волн благодаря меньшему уровню шумов и более высокому быстродействию по сравнению, например, с транзисторными преобразователями.
Для многих применений требуются преобразователи частоты с очень высокими (уникальными) характеристиками, которые не регламентируются и не выпускаются ни в России, ни за рубежом. Например, подавление паразитных составляющих в спектре выходного сигнала широкополосных (с перекрытием октава) утроителей частоты не менее 35-40дБс. Для достижения этих требований и улучшения характеристик новых разрабатываемых устройств требуются все более новые и нестандартные подходы к методике проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты различных типов и конструкций.
Существующие автоматизированные методы расчета и проектирования СВЧ устройств часто, в силу конструктивно-технологических особенностей последних, непригодны. Требуется их доработка (адаптация) под конкретную задачу. Таким образом, задача теоретического и экспериментального исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна.
Приоритетной целью диссертационной работы является разработка диодных СВЧ преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, обеспечивающих расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы, низкую себестоимость, компактность и простоту производства устройств СВЧ диапазона.
Цель диссертационной работы - разработка автоматизированных методов проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты. Исследование и разработка новых СВЧ устройств с повышенными техническими характеристиками на основе этих методов.
Цель диссертационной работы была достигнута решением следующих задач:
-
Сравнительный анализ методов расчета и проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты и оценка возможности их использования в см- и мм- диапазонах.
-
Адаптация автоматизированных методов проектирования для решения задач проектирования преобразователей с высокими характеристиками.
-
Моделирование характеристик диодных СВЧ преобразователей частоты, выполненных на основе сочленений различных видов линий передачи.
-
Экспериментальная верификация характеристик разработанных устройств.
Научная новизна работы:
-
-
Разработаны оригинальные математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты см- и мм- диапазонов на основе современных программ моделирования СВЧ устройств. Указанные модели построены с учетом фильтрующих и резонансных свойств волноведущих структур, которые позволяют определить основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов).
-
Разработаны новые модели смесителей на основе современных программ моделирования СВЧ устройств, позволяющие определить основные характеристики смесителей проходного типа и смесителей с диплексером (потери преобразования, неравномерность потерь преобразования, ослабление побочных каналов приёма, нелинейные искажения).
-
Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплекси- рованных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ, обеспечивающие повышенные характеристики аппаратуры СВЧ.
-
Предложены и исследованы оригинальные структуры малогабаритных, широкополосных диодных СВЧ преобразователей частоты, выполненные на основе сочленений различных видов линий передачи, дающие возможность работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.
Основные методы исследования:
а) Теоретические: методы теории цепей, компьютерное моделирование.
б) Экспериментальные
Научные положения, выносимые на защиту:
-
-
-
Расчет и проектирование широкодиапазонных смесителей необходимо выполнять как комплексированных устройств, содержащих фильтрующие элементы в каждом канале.
-
Схемы балансных смесителей, где для передачи сигналов используются комбинации пар волноводных, щелевых, копланарных и других микро- полосковых линий, в которых силовые линии электромагнитных полей имеют ортогональную ориентацию, позволяют осуществлять преобразование СВЧ сигнала на основной частоте гетеродина в диапазоне частот выше 18 ГГц.
-
Выполнение умножителя частоты в виде сочленений двух линий передачи: входной - копланарного волновода и выходной - щелевой линии, имеющей плавный или ступенчатый переход на волноводный тракт позволяет получить высокое подавление паразитных составляющих в спектре выходного сигнала.
-
Общие принципы выбора оптимальных конструкций широкополосных умножителей частоты, которые позволяют получить СВЧ устройства с повышенными характеристиками должны учитывать:
требование ортогональности полей входного и выходного сигналов (при возможности);
возможную простоту реализации фильтров и согласующих цепей;
максимально простую и широкополосную связь умножительного узла с входным и выходным трактами;
возможность и простоту настройки.
-
. Новые, высокоэффективные методы расчета и проектирования базовых микрополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преобразователей СВЧ: смесителей проходного типа, смесителей с диплексером; балансных удвоителей и утроителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ), с применением новой элементной базы и новых вариантов сочленений различных типов волноведущих структур, основанные на комплексном использовании результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.
Практическая значимость результатов работы:
-
-
-
Предложенные в работе методы проектирования могут быть использованы для разработки базовых микрополосковых и волноводно- микропо- лосковых конструкций диодных СВЧ преобразователей частоты.
-
Разработанные методы и модели широкополосных преобразователей частоты позволяют на основании паспортных данных на умножительные и смесительные диоды, по заданным требованиям к диапазону и полосе частот, коэффициенту умножения по частоте и уровню входной мощности рассчитывать все основные характеристики диодных СВЧ преобразователей частоты во временной и частотной областях.
-
Применение предложенных методов и алгоритмов позволяет повысить качество и существенно сократить сроки проектирования диодных преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
На Всероссийских НТК:
«Исследование, разработка и применение средств радиоэлектроники, телекоммуникаций и информационных систем в промышленности», Махачкала, ДГТУ, 2011;
«Средства радиоэлектроники, телекоммуникаций, информационных систем и их применение», Махачкала, ДГТУ, 2012;
На республиканских НТК:
«XXVIII итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2007);
«XXIX итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2008);
«XXX итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2009);
«XXXII итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2011);
Публикации: Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 20 статьях и докладах, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК, 2 публикации в сборнике научных трудов, 11 работ в материалах Всероссийских и республиканских научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 128 наименований. Объем диссертации составляет 156 страниц, включая 136 страниц основного текста, 35 рисунков и 14 таблиц.
Смесители
Смеситель используется для преобразования СВЧ сигнала в сигнал промежуточной частоты ПЧ. Преобразование сигнала в смесителе происходит на нелинейном активном сопротивлении диода.
Эксплуатационные качества смесителей определяются большим числом показателей. Ниже приводятся основные параметры и характеристики, используемые для оценки качества смесителей.
Диапазон рабочих частот по каждому из портов. Смесители различного рода применяются в РЧ блоках, работающих, на частотах, начиная с десятков мегагерц до десятков гигагерц. Типовые серийно выпускаемые смесители имеют максимальную рабочую частоту от 100 МГц до 5 ГГц.
Потери преобразования (Conversion Loss, CL). Потери преобразования являются критерием эффективности преобразования смесителя сигнала РЧ в сигнал ПЧ.
Коэффициент преобразования или коэффициент передачи (Conversion Gain, CG). Активные смесители обеспечивают коэффициент передачи в диапазоне от -1 до +20 дБ, в то время как пассивные смесители имеют типовое значение потерь преобразования от 5 до 8 дБ.
Коэффициент шума (Noise Figure). Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от их схемотехнической реализации и используемых элементов.
Уровень и качество сигнала гетеродина (Local Oscillator Drive). Идеальный смеситель должен быть нечувствительным к уровням гетеродинного сигнала и содержащихся в нем кратных гармоник. В реальных устройствах параметры гетеродина должны соответствовать параметрам смесителя. Для пассивных двойных балансных диодных смесителей необходим уровень сигнала гетеродина от +5 до +25 дБм. Активные смесители требуют уровень гетеродина в пределах от -20 до +30 дБм, в зависимости от схемотехнической реализации.
Развязка (изоляция) портов (Porto-Port Isolations). Единственный сигнал, который должен присутствовать на выходе смесителя - это сигнал промежуточной частоты. Неидеальность развязки портов приводит, в частности, к возникновению явления самосмешения сигналов (рисунок 1.1), существенно ухудшающему качество функционирования тракта.
Согласование полных сопротивлений (импедансов) (Impedance Matching). Независимо от того, какой смеситель применяется в системе, активный или пассивный, для получения оптимальных его параметров должно быть выполнено тщательное согласование всех его трех входов (портов) с соответствующими трактами.
Нелинейность преобразования или нелинейные искажения преобразования (Conversion Compression). Это показатель величины уровня максимального РЧ сигнала на входе, при котором смеситель находится в линейном режиме.
Однодецибелъная точка компрессии. Смесители должны использоваться при уровнях сигнала, меньших точки компрессии, так как дополненительно к искажению входного сигнала увеличивается амплитуда побочных спектральных составляющих.
Динамический диапазон (Dynamic Range). Это одна из наиболее важных технических характеристик смесителя. Нижний предел динамического диапазона смесителя определяется его коэффициентом шума, в то время как верхний предел определяется уровнями компрессии коэффициента передачи, интермодуляционных составляющих и теплового разрушения.
Точка пересечения третьего порядка (Third Order Intercept Point, ТОЇ). Она измеряется при использовании в качестве тестового сигнала двух сигналов с близко расположенными частотами fl и f2. Наиболее нежелательные продукты нелинейности третьего порядка после смешивания этих двух сигналов с частотой гетеродина возникают на частотах (2fl ±f2) ±/гет и (2/2 ± /1) ±/гет.
К смесителям предъявляются следующие требования: высокая чувствительность устройства (определяющая обнаружите ль ную способность приемника), характеризующаяся малой величиной коэффициента шума, что соответственно требует минимальных потерь преобразования смесителя и собственных шумов входящих активных элементов; широкая полоса рабочих частот, которая в основном зависит от конструкции смесителя; хорошее подавление ложного сигнала по зеркальному каналу, а также комбинационных составляющих частотного спектра, что в свою очередь также требует большой развязки между полюсами; большой динамический диапазон принимаемых сигналов, характеризуемый как активными элементами, так и схемным построением смесителя; относительно низкая требуемая мощность гетеродина, которая определяется как качеством диодов, режимом их работы, так и конструктивным исполнением смесителя. Таким образом, выполнение требований зависит от качества выбранных активных элементов, режимов их работы, схемных и конструктивных построений. Для преобразования сигнала в смесителях можно использовать туннельные, обращенные, варакторные, точечные диоды, транзисторы и диоды Шоттки. Туннельные и обращенные диоды не нашли широкого применения в СВЧ смесителях из-за большой подверженности выгоранию от СВЧ энергии, схемных сложностей и трудностей изготовления [121, 43, 80]. Обращенные диоды, варакторы, транзисторы используются только в специальных случаях. Лучшими преобразователями частоты на СВЧ являются точечные диоды и диоды Шоттки. Однако по шумовым характеристикам и надежности работы диоды Шоттки прочно вытеснили точечные. Низкая величина шума диода Шоттки получена благодаря высокой чистоте применяемого полупроводника; использованию эпитаксиального материала с низким последовательным сопротивлением; методам фотолитографии, позволяющим создавать диод Шоттки с малыми площадями.
Вследствие использования эпитаксиального осаждения в технологии изготовления диодов Шоттки уменьшается величина произведения сопротивления растекания (последовательного сопротивления) Rs на емкость контакта (металл — полупроводник) диода Су, что соответственно увеличивает предельную частоту диода. Это весьма существенное обстоятельство, поскольку потери преобразования прямо пропорциональны произведению этих параметров диода. Кроме того, потери преобразования Ld связаны со свойствами полупроводникового материала следующим образом: Ld RsCjd є І [І N, где є - диэлектрическая проницаемость полупроводника; d - толщина эпитаксиального (активного) слоя; N - концентрация основных носителей; \i - подвижность носителей.
По схемному построению микроэлектронные смесители обычно делят на три типа: смеситель на одном диоде, так называемый однотактный смеситель (ОС); балансный смеситель (БС) и двойной балансный смеситель (ДБС). Схемы ОС, БС и ДБС показаны на рисунке 1.2 [18, 81].
Конструктивно вывод ПЧ сигнала для схемы СВЧ ДБС кольцевого типа выполнен с помощью конфигурации, названной «Ortostar ТМ», и представляет собой комбинацию гибридного соединения и «четырехдиодной звезды» [79].
Преимуществом схемы «звезда» (рисунок 1.2, г) перед кольцевой (рисунок 1.2, в) является наличие центрального узла (соединение четырех диодов), с помощью которого осуществляется непосредственное соединение с цепью ПЧ.
Все три типа смесителей в значительно большей степени различаются по характеру спектра выходного сигнала, чем по электрической конфигурации их цепей.
Вопросы автоматизации проектирования СВЧ преобразователей частоты
В последнее время резкое увеличение количества разрабатываемых в мире радиоэлектронных изделий СВЧ диапазона (и, соответственно, СВЧ преобразователей частоты) связано с широким развитием таких сфер применения радиоэлектроники, как космическая, спутниковая, персональная и сотовая связь, телекоммуникации, гигабитовые системы передачи данных и т.д. С другой стороны, необходимость создания новых СВЧ радиоэлектронных средств стимулируется непрерывно повышающимися требованиями к РЭС, а также появлением новых поколений полупроводниковых приборов. Поэтому одним из перспективных путей сокращения трудоемкости и повышения эффективности проектирования СВЧ преобразователей частоты является развитие методов автоматизированного проектирования этого класса устройств.
В связи со сложностью разработки СВЧ устройств и систем ее осуществление не представляется возможным без использования средств автоматизированного проектирования. В настоящее время ряд фирм создали современные сложные программные комплексы для проектирования СВЧ аппаратуры, такие как Advanced Design System фирмы Hewlett-Packard, США, Ansoft Designer фирмы Ansoft Corp., США, Genesys фирмы Eagleware Corp., США, Microwave Office фирмы Applied Wave Research, США, Microwave Studio фирмы CST, Германия и др. Однако в этих программных комплексах недостаточна библиотека элементов (нет сочленений линий передач различного типа), имеется анализ только периодических режимов (метод гармонического баланса), нет адекватных моделей некоторых нелинейных элементов (ДНЗ, ДБШ и т.д.), электродинамические методы расчета находятся в стадии становления, требуется задание достаточно точного начального приближения, программа хорошо выполняет только функцию доводки схемы.
Кроме того, для успешного выполнения задач проектирования СВЧпреобразователей частоты разработчик должен обладать достаточной квалификацией и опытом в разработке СВЧ устройств.
Современное состояние проблемы проектирования СВЧ устройств можно охарактеризовать следующим образом:
1) Систематические методы синтеза разработаны только для ограниченного класса пассивных цепей на сосредоточенных и распределенных элементах (фильтров, СЦ и цепей связи, трансформаторов импеданса, разветви-телей и сумматоров, гибридных устройств и т.д.), которые используются как составные части активных устройств. Этим методам свойственны существенные ограничения. В частности, они не учитывают или недостаточно учитывают взаимодействие пассивных цепей с активными приборами, что не позволяет реализовать при синтезе полный комплекс требований к активному устройству. Кроме того, часто не в полной мере учитываются условия конструктивной реализуемости цепей на СВЧ.
2) Для активных СВЧ устройств разных классов разработано большое количество частных методик расчета в предположении, что структура устройства (т.е. способ соединения АЭ и пассивных СЦ или КЦ, структура самих КЦ) известна. Эти методики чаще всего, однако, не обеспечивают полного и оптимального проектирования устройств, так как не учитывают полный комплекс показателей качества, используют упрощенные модели АЭ и различные допущения, охватывают только отдельные частные структуры (варианты) устройств (обычно наиболее простые).
3) Для большинства практически используемых структур СВЧ активных устройств не решен вопрос о предельно достижимых характеристиках как на отдельных фиксированных частотах, так и в полосе частот.
В последнее время зарубежные фирмы проявляют большой интерес к созданию программ структурного синтеза пассивных и активных ВЧ/СВЧ устройств. Примерами являются программы MultiMatch, RF Compiler, программные модули синтеза пассивных и активных устройств в составе комплексов ADS и Genesys и др. [121-124]. Однако используемые в указанных программах подходы имеют отмеченные ранее ограничения.
В связи со сложностью задачи синтеза и недостатками существующих методов в настоящее время общепринятой является интерактивная процедура проектирования СВЧ ППУ с использованием современных программных средств моделирования СВЧ цепей. Процедура сочетает в себе машинные и "ручные" методики проектирования.
Очевидно, в связи с упомянутыми особенностями задача проектирования СВЧ ППУ в обозримом будущем не может быть полностью автоматизирована и будет решаться на основе интерактивного взаимодействия разработчика и ЭВМ. Однако для повышения эффективности схемотехнического проектирования существующие САПР должны быть значительно усовершенствованы. Помимо повышения точности и скорости моделирования СВЧ цепей, усовершенствование должно также коснуться, по крайней мере, еще двух аспектов:
1) создание эффективных методов генерации схемотехнических решений для различных классов пассивных и активных СВЧ устройств;
2) разработка новых принципов взаимодействия разработчика и ЭВМ, позволяющих более полно использовать интеллектуальные способности человека при исследовании и решении проектных задач.
В настоящее время проектирование СВЧ устройств не представляется возможным без использования средств автоматизированного проектирования. Поэтому необходимы обобщение и осмысление достигнутых результатов в области автоматизированного проектирования и оценка возможности их практического использования. Advanced Design System (ADS) - система автоматизированного проектирования с расширенными возможностями компании Agilent - является оптимальным выбором для разработки высокочастотных изделий систем связи.
ADS обеспечивает ускорение процесса проектирования, начиная с создания принципиальных схем и заканчивая производством. ADS предлагает мощную технологию моделирования, комплекты для проектирования интегральных схем (ИС) и интеграцию процесса разработки с другими системами автоматизированного проектирования (САПР), включая Cadence, связь с приборами компании Agilent и непревзойдённые возможности технической поддержки, обучения и использования новейших технических решений в разрабатываемой продукции. При помощи руководств по проектированию (DesignGuides) пользователи ADS могут следовать подходам, выработанным экспертами при использовании ADS, для разработки усилителей, смесителей, генераторов, систем фазовой автоподстройки частоты и других широко используемых функциональных блоков. Организация вывода данных на экран в системе ADS упрощает наблюдение результатов моделирования, оптимизации, статистического анализа и измерений. Мощные, средства постобработки расширяют возможности и увеличивают результативность исследований в процессе сложного проектирования.
Из всех приложений ADS наиболее широкое применение при проектировании СВЧ устройств находит Microwave Circuit Designer (разработчик СВЧ схем). Законченное решение для разработки высокочастотных проектов, включая монолитные и гибридные СВЧ интегральные схемы, с оптимизацией характеристик. Объединяет высокочастотное моделирование и оптимизацию с точными моделями, библиотеками и средствами разработки конструкции.
Ansoft Designer - универсальный пакет автоматизированного проектирования для моделирования и оптимизации СВЧ схем и систем. Это - мощный инструмент для синтеза, анализа, оптимизации систем и цепей, работающих в дипазоне частот от Гц до ГГц.
Ansoft Designer обеспечивает доступ к линейному и нелинейному моделирующим устройствам Harmonica.
Линейное моделирующее устройство позволяет моделировать и анализировать цепи, составленные из моделей в обширной библиотеке элементов, использует эффективные и точные методы типа разреженных матричных методов, включая узловой анализ шумов, и мощные алгоритмы моделирования.
Балансный утроитель частоты на ДБШ
Одной из актуальных задач современной радиоэлектроники является создание источников колебаний сверхвысокой частоты (СВЧ), обладающих минимальными габаритами и массой, малой потребляемой мощностью, высокой надёжностью и стабильностью. Такие источники необходимы для радиорелейных линий тропосферной и космической связи, радиоастрономических исследований, спектроскопии и т.п.
Один из широко распространённых методов получения требуемых СВЧ колебаний заключается в использовании сигналов опорных кварцевых автогенераторов с последующим их преобразованием: умножением по частоте и усилением по мощности. В связи с этим большую актуальность имеет проблема, заключающаяся в разработке умножителей СВЧ, работающих в режиме большого сигнала в широкой полосе частот при большом динамическом диапазоне преобразуемой мощности.
Для преобразования частоты в СВЧ диапазоне в настоящее время используется ряд полупроводниковых приборов: диоды с барьером Шоттки, лавинно-пролётные диоды, диоды Ганна, варакторные диоды, транзисторы, диоды с накоплением заряда (ДНЗ) и диоды с эффектом смыкания р-п перехода (ЭСП-диоды). Из всего многообразия диодных элементов для умножения частоты в широкой полосе частот и при большом уровне мощности более всего подходят диоды со специальным характером распределения примесей, то есть ДНЗ и ЭСП-диоды, поскольку данные диоды работают с приоткрыва-нием р-п перехода, что позволяет увеличить уровень преобразуемой мощности, тогда как режим умножения только на барьерной емкости р-п перехода, не позволяет достигать таких энергетических характеристик [39-41].
С другой стороны, улучшения мощностных и спектральных характеристик диодных умножителей частоты можно добиться при помощи схемных решений, например, при использовании балансных схем умножения.
Для балансных схем умножения, несмотря на их лучшие характеристики, не существует единой методики расчета, поскольку практически во всех таких схемах на диодах присутствуют все гармоники и напряжения, и токов.
Появление систем автоматизированного проектирования (САПР) радиоэлектронных устройств СВЧ (например, Microwave Office и Ansoft Designer) позволяет решить задачу анализа нелинейных схем, поскольку в последних версиях пакетов данных САПР используются такие мощные методы нелинейного анализа, как метод гармонического баланса и метод рядов Вольтерра, основанные на разбиении схемы умножителя на линейную и нелинейную части и описании данных частей различным образом. Однако последний метод неприменим для задачи анализа балансных умножителей частоты, поскольку ориентирован на расчет нелинейных схем в режиме малых сигналов.
При использовании метода гармонического баланса линейные уравнения, описывающие линейную часть устройства, решаются в частотной области, а нелинейные уравнения, описывающие нелинейную часть, решаются во временной области, результаты решений во временной и частотной областях связываются с помощью преобразований Фурье. Достоинства такого подхода очевидны - например, цепи с распределенными параметрами моделируются и анализируются более естественными методами расчета линейных схем в частотной области. Таким образом, использование метода гармонического баланса для расчета балансных умножителей частоты достаточно оправдано.
Условия и особенности применения умножителей частоты в современных радиоизмерительных приборах сантиметрового диапазона формулируют ряд общих требований к их характеристикам:
- максимальная широкополосность;
- выходная мощность - порядка единиц милливатт (минимальные потери);
- равномерность выходной мощности в полосе не хуже + 1.5; 2 дБ;
- подавление побочных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала - не менее 25-30 дБ;
- потери преобразования не более 15дБ;
- простота в эксплуатации и ряд других требований.
Требования к характеристикам умножителей, анализ известных схем и конструкций однозначно определяют их структурную реализацию и возможную элементную базу - это должны быть балансные умножители на варак-торных диодах с барьером Шоттки.
Анализ известных практических реализаций широкополосных умножителей сантиметрового диапазона позволил выделить некоторые общие принципы выбора оптимальных конструкций:
- ортогональность полей входного и выходного сигналов (при возможности);
- простота реализации фильтров и согласующих цепей;
- максимально простая и широкополосная связь умножительного узла с входным и выходным трактами;
- возможность и легкость настройки.
Предлагается оригинальная конструкция микрополоскового утроителя частоты (рисунок 3.5), обладающая естественной симметрией и развязкой входного и выходного трактов.
Основа конструкции - две скрепленные экранами платы. На одной плате расположена входная микрополосковая линия (МПЛ), на другой - щелевой резонатор. Умножительные диоды, пересекая резонатор по центру, подключены разнополярно к входной МПЛ и противоположной стороне щелевого резонатора через конденсатор связи, который выполняет роль разомкнутого выходного шлейфа. Выходной сигнал снимается с помощью разомкнутого шлейфа, образованного МПЛ, расположенной на плате с обратной стороны щелевого резонатора.
Входной сигнал поступает через коаксиально-полосковый переход и входную МПЛ, содержащую согласующий ФНЧ, на диоды, осуществляющие симметричное ограничение амплитуды и генерирующие нечетные гармоники входного сигнала. Расположенный над щелевым резонатором отрезок линии возбуждает в нем волну напряжения. Длина резонатора L выбирается равной половине длины волны на 3-й гармонике. Выходной сигнал снимается с резонатора с помощью разомкнутого шлейфа длиной L1, равной приблизительно четверти длины волны 3-й гармоники, и через отрезок МП Л длиной L2 (приблизительно равной Авх.ср/4) и полосовой фильтр поступает на выход.
Предложенная конструкция умножителя исследована с помощью программы моделирования СВЧ устройств Microwave Office и получены результаты, которые позволяют оптимизировать параметры конструкции утроителя частоты. При этом расчет умножителя частоты (рисунок 3.6) был выполнен в диапазоне 12-19,2 ГГц (по выходу) при уровне входного сигнала 30мВт. В качестве материала для подложки был выбран поликор толщиной - 0,25 мм и диэлектрической проницаемостью 10,2. В результате расчета производился оптимальный выбор основных конструктивно-топологических элементов: длины и ширины шелевого резонатора и отрезков МПЛ, номинала конденсатора С, параметров элементов согласующих цепей на входе. Из за отсутствия в программе Microwave Office электродинамической модели щелевого резонатора при расчете он был представлен параллельным LC - контуром с резонансной ЧаСТОТОЙ раВНОЙ / вых.средняя —10 ГГц.
Умножитель частоты на 32 ГГц, 48 ГГц, 44 ГГц
Формирование гетеродинных сигналов преобразователей частоты фиксированных частот 32 ГГц и 48 ГГц осуществляется умножением сигнала с частотой 16 ГГц на 2 и 3 соответственно с последующей фильтрацией выходных сигналов комбинацией полосового фильтра и ФНЧ. Умножители являются составной частью входного модуля преобразователя частоты, и сигнал к ним (16 ГГц, 100 мВт) поступает по кабелю длиной 0,6 м с выхода умножителя опорного генератора (0,5/4/16 ГГц.
На данном этапе работы решено использовать ранее разработанные ко-аксиально-волноводные: удвоитель и утроитель. Умножители выполнены по балансной схеме на ДБШ. Для утроителя использованы диоды АА643В, для удвоителя - вновь разработанные диодные сборки с повышенным уровнем преобразуемой мощности
Конструкция умножителей и их характеристики приведены в [64]. Экспериментальная проверка показала, что на фиксированных частотах при соответствующей настройке могут быть реализованы потери менее 10 дБ с подавлением паразитных гармоник на 25 дБс, что является достаточным для нормальной работы смесителей. Для фильтрации выходных сигналов рассчитаны и спроектированы узкополосные волноводные ПФ с потерями менее 0,5 дБ и подавлением на частотах паразитных гармоник гетеродина (ниже резонансной частоты ПФ) не менее 80 дБ. Для фильтрации паразитных гармоник выше резонансной частоты ПФ дополнительно включены ФНЧ, поскольку ПФ имеют паразитные полосы пропускания. ФНЧ рассчитаны и спроектированы в микрополосковом варианте на кварцевой подложке. Вносимые расчетные потери в полосе пропускания не превышают 0,4 дБ, в полосе заграждения - не менее 50 дБ.
С целью уменьшения габаритов входных устройств преобразователей рассчитан и экспериментально проверен вариант микрополоскового удвоителя частоты для безразъемного подсоединения к гетеродинному входу смесителя или встраивания в виде отдельного модуля в ГИС смесителя 18-26 ГГц (рисунок 2.6).
Удвоитель (рисунок 4.7) выполнен по балансной схеме на комбинации двух линий передачи: входной - копланарной линии и щелевой короткоза-мкнутой линии, нанесенных на одной стороне кварцевой подложки. В точке соединения линий включена микросборка из двух умножительных диодов. Выходной сигнал снимается с обратной стороны подложки шлейфом четвертьволновой длины через ПФ на связанных полуволновых резонаторах.
Экспериментальная проверка показала, что при Рвх =100 мВт выходная мощность - не менее 10 мВт, и ослабление первой и третьей гармоник входного сигнала на выходе - не менее 50 дБс.
В аналогичном микрополосковом варианте может быть реализован и утроитель частоты 16-48 ГГц для встраивания в ГИС смесителя 38-42 ГГц.
Формирование сигнала с частотой 44 ГГц гетеродина преобразователя частоты 26-38 ГГц может быть реализовано умножением на 11 сигнала с частотой 4 ГГц. Наиболее просто и компактно умножители высокой кратности до частот 50 ГГц выполняются на быстродействующих ДНЗ.
Структурная схема формирователя гетеродина 44 ГГц приведена на рисунке 4.8.
После умножения сигнал фильтруется волноводным ПФ1 с подавлением паразитных гармоник до 40 дБс, усиливается волноводно-микрополосковым усилителем до 10-15 мВт и дополнительно фильтруется до 60 дБс микрополосковым ПФ2 (или ФНЧ), который может быть элементом гетеродинного тракта смесителя.
Узкополосный ПФ с потерями в полосе пропускания 0,5 дБ выполняется на отрезках волноводно-щелевых линий. Методы расчета и технология производства аналогичных полосовых фильтров разработаны в ННИПИ «Кварц» [20].
Волноводный усилитель мощности на частоту 44 ГГц выполнен на двух микросхемах СНА2157 (ф. UMS), которые включены между отрезками микрополосковых линий. Указанная структура, вместе с цепями питания м/сх размещена в герметизированном отсеке между двумя волноводно-микрополосковыми переходами. Усилитель обеспечивает выходную мощность 20 мВт при усилении 10-15 дБ в диапазоне 40-60 ГГц.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтверждают возможность формирования сигналов гетеродинов преобразователей частоты с фиксированными частотами (16 ГГц, 32 ГГц, 44 ГГц и 48 ГГц) достаточного для нормальной работы смесителей уровня мощности 10 мВт и подавления паразитных составляющих в спектре выходного сигнала не менее 60 дБс.
Похожие диссертации на Исследование и разработка диодных СВЧ преобразователей частоты
-
-
-
-
-
