Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние методов проектирования и уровень техниче ского развития СВЧ-преобразователей частоты, их применение в РИА.Задачи исследования 19
1.1 Особенности применения диодных преобразователей частоты в РИА СВЧ- диапазона 19
1.2 Анализ методов исследования, схем и конструкций СВЧ-преобразователей частоты 23
1.2.1 Стробоскопические преобразователи частоты 23
1.2.2 Умножители частоты и генераторы гармоник 32
1.3 Многофункциональные преобразователи частоты 46
1.4 Выводы - задачи исследования 49
Глава 2 Исследование и расчет широкополосных стробоскопических преобра зователей частоты 52
2.1 Основы нелинейной теории и проектирования базовых схем стробпреобра зователей 52
2.1.1 Анализ и расчет характеристик однодиодной схемы стробпреобразова теля 52
2.1.2 Анализ двухдиодной (балансной) схемы стробпреобразователя 58
2.1.3 Исследование влияния помех на характеристики стробпреобразователя 64
2.2 Специальные теоретические вопросы анализа и расчета характеристик стробпреобразователей 67
2.2.1 Ограничение чувствительности и динамического диапазона преобразователя за счет конечной величины «развязки» каналов 67
2.2.2 Анализ методов увеличения «развязки» каналов стробпреобразователя 74
2.2.3 Исследование многочастотных режимов преобразования частоты 83
2.3 Выводы 88
Глава 3 Проектирование и экспериментальное исследование стробпреобразо вателей 89
3.1 Синтез микромодульной конструкции стробоскопического смесителя сан тиметрового диапазона 89
3.1.1 Согласование сигнального тракта стробсмесителя 91
3.1.2 Анализ требований к исходному перепаду напряжения. Расчет цепей, формирующих стробимпульсы 99
3.1.3 Коррекция размеров элементов согласующего трансформатора сигнальной линии 103
3.2 Конструкции стробсмесителей сантиметрового диапазона 104
3.2.1 Варианты базовых микрополосковых балансных стробсмесителей 104
3.2.2 Новые схемно-конструктивно-технологические решения в проектиро вании стробсмесителей 111
3.3 Многофункциональные ГИС на базе стробсмесителей (стробпреобразовате лей) сантиметрового диапазона 118
3.3.1 Одноканальные стробпреобразователи 119
3.3.2 Двухканальные стробпреобразователи 122
3.3.3 Четырехканальные стробпреобразователи 123
3.3.4 Нетрадиционные способы использования стробоскопических преобразователей СВЧ 127
3.4 Волноводные стробпреобразователи миллиметрового диапазона 130
3.4.1 Волноводно-микрополосковые стробпреобразователи диапазона 26-120 ГГц 131
3.4.2 Сверхширокополосный стробпреобразователь на П-волноводе 36-120 ГГц 136
3.4.3 Стробпреобразователи диапазонов частот 120-180 ГГц, 180-260 ГГц 138
3.5 Выводы 140
Глава 4 Исследование и разработка диодных умножителей частоты и генера торов гармоник в сантиметровом диапазоне 142
4.1 Исследование и разработка умножителей частоты на ДНЗ с многооктавной перестройкой частоты ЖИГ-фильтром 142
4.2 Широкополосные (30%) микрополосковые умножители на ДНЗ и варакторах 151
4.3 Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты 155
4.3.1 Сверхширокополосные умножители частоты 2-26,4 ГГц 156
4.3.2 Умножители частоты высокой кратности 159
4.4 Сверхширокополосные генераторы гармоник с равномерным спектром 160
4.5 Полосовые генераторы гармоник 163
4.5.1 Радиоимпульсные генераторы гармоник 164
4.5.2 Генераторы гармоник с внутренней самомодуляцией 164
4.5.3 Генераторы гармоник на ДНЗ с ЖИГ-фильтром 165
4.6 Выводы 167
Глава 5 Исследование и разработка широкополосных умножителей частоты миллиметрового диапазона 169
5.1 Теоретический анализ, расчет и проектирование балансных удвоителей час тоты наДБШ 169
5.1.1 Анализ схемы 170
5.1.2 Расчет характеристик 175
5.1.3 Особенности конструкции и результаты экспериментального исследо вания удвоителей в диапазоне частот 26,5-180 ГГц 176
5.2 Теоретический анализ, расчет и проектирование балансных утроителей час тоты на ДБШ 179
5.2.1 Анализ схемы 180
5.2.2 Расчет характеристик 185
5.2.3 Особенности конструкции и результаты экспериментального исследо вания утроителей в диапазоне частот 33-210 ГГц 185
5.3 Многокаскадные умножители частоты 190
5.3.1 Пассивные умножители частоты 190
5.3.2 Активные умножители частоты 191
5.3.3 Умножители частоты для спектрально чистых широкополосных источ ников сигнала 192
5.4 Выводы 195
Глава 6 Внедрение результатов исследований в разработки радиотехнической аппаратуры 196
6.1 Широкополосные входные приемные устройства РИА 196
6.1.1 Стробоскопические преобразователи для анализаторов цепей и фазометров 196
6.1.2 Стробоскопические преобразователи в автоматических частотомерах СВЧ 203
6.2 Синхронизация и стабилизация частоты источников СВЧ-сигналов 204
6.3 Генерация СВЧ-сигналов 205
6.3.1 Сверхширокополосные источники сигнала сантиметрового диапазона 205
6.3.2 Широкополосные источники сигнала миллиметрового диапазона 206
6.4 Многофункциональный преобразователь частоты 1,5-40 ГГц с управлением пошинеУХІ 207
6.5 Преобразователи частоты для радиоприемных устройств 213
6.5.1 Преобразователи частоты для высокочувствительных приемных уст ройств миллиметрового диапазона 213
6.5.2 Двухступенчатый преобразователь частоты 0,5-18 ГГц/1-12 ГГц 217
6.6 Разработка методов настройки и экспресс поверки диодных преобразовате лей частоты ; 218
6.6.1 Настройка умножителей частоты миллиметрового диапазона 219
6.6.2 Настройка стробпреобразователей миллиметрового диапазона 221
6.7 Выводы 224
Заключение 226
Список литературы 229
- Анализ методов исследования, схем и конструкций СВЧ-преобразователей частоты
- Специальные теоретические вопросы анализа и расчета характеристик стробпреобразователей
- Конструкции стробсмесителей сантиметрового диапазона
- Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты
Введение к работе
Прогресс в современной технике радиосвязи, радиолокации, навигации, радиоастрономии, оборонных областях радиоэлектроники, научных исследованиях невозможен без опережающего развития радиоизмерительной техники. Совершенствование радиоизмерительных приборов (РИП) СВЧ идет по пути повышения точности и расширения пределов измерений, увеличения широкополосности, расширения частотного диапазона в область миллиметровых длин волн, повышения надежности, уменьшения габаритов и массы, создания многофункциональных приборов, повышения степени автоматизации. Освоение новых, более высокочастотных диапазонов имеет особое значение в связи с широким внедрением техники миллиметрового (мм) диапазона в различные области народного хозяйства, обещающие в перспективе ее массовое использование: спутниковая связь и вещание, информационно-вычислительные системы, медицина, биология, фундаментальные научные исследования, управление транспортом и безопасность движения.
Принцип действия большинства РИП СВЧ-диапазона основан на использовании преобразователей частоты. Это - входные приемные устройства, преобразующие спектр частот СВЧ-сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, где уже осуществляется регистрация и обработка сигналов (в стробосциллографах, амплифазометрах, анализаторах цепей, частотомерах, анализаторах спектра); или - выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ-диапазон для передачи к измеряемому объекту (в источниках зондирующих сигналов анализаторов цепей и импульсных рефлектометров, в измерительных генераторах и синтезаторах СВЧ).
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. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей частоты в радиоприемных устройствах (РПУ) (смесители) и радиоизмерительной аппаратуре (РИА) сантиметрового (см) и миллиметрового (мм) диапазонов длин волн благодаря меньшему уровню шумов и более высокому быстродействию по сравнению, например, с транзисторными преобразователями.
Интенсивное развитие техники усиления мощности СВЧ-сигналов и умножения частоты создает предпосылки построения полностью твердотельных источников сигналов см- и мм-диапазонов, что позволяет заменить во многих случаях (генераторах, гетеродинах) дорогостоящие электровакуумные приборы на более надежные и компактные полупроводниковые.
Генераторы гармоник, по существу, являются частью стробпреобразователей, формирующей стробимпульсы, и, кроме того, имеют самостоятельное применение как калибраторы частотной шкалы в анализаторах спектра, приемниках, как гетеродины в системах радиорелейной связи и других радиотехнических системах.
Ориентация на радиоизмерительную технику определила высокий уровень требований к основным техническим характеристикам преобразователей: широкополосное™, потерям преобразования, динамическому диапазону преобразуемых сигналов, шумовым свойствам, энергопотреблению. Следовательно, задача теоретического и экспериментального исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна для совершенствования РИП.
В 70-х годах прошлого столетия диапазон частот стробпреобразователей не превышал 4-7 ГГц в амплифазометрах и 7-12 ГГц в стробосциллографах. Устойчивые тенденции увеличения сложности РИП, расширения их функциональных возможностей, расширения диапазона частот в область миллиметровых длин волн требовали проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований с целью оптимального выбора схемы и конструкции преобразователя, технологии изготовления, типов используемых полупроводниковых элементов.
Качественный скачок в повышении характеристик преобразователей частоты и РИП, например, расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы невозможен без перехода на новую элементную базу, применения новых типов линий передачи и их соединений, внедрения новых технологий в проектирование и производство, использования новых принципов преобразования частоты.
Основы теории и методов расчета преобразователей частоты разработаны в конце 50-х годов [1-6], но и сегодня по вопросам анализа, расчета и автоматизированного проектирования преобразователей публикуется большое количество работ Введение
[7-12], что свидетельствует об их актуальности, и связано с тенденциями расширения диапазона частот, использованием новой элементной базы, новых конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей.
Теория стробоскопического преобразования сигналов применительно к осциллографии разработана в 1960-1970-х годах Ю.А. Рябининым, А.И. Найденовым [14, 28, 32]. Она основана на предположении линейного режима работы устройств для входных СВЧ-сигналов и, следовательно, не дает информации о нелинейных искажениях в стробпреобразователях. Специфика использования стробпреобразовате-лей в системах синхронизации и стабилизации частоты гетеродинов и синтезаторов частот [17, 18] поставила задачу анализа нелинейного режима работы преобразователей с целью определения требований к спектру входных сигналов для получения допустимого отношения сигнал/шум на выходе преобразователя; к уровням входных сигналов для минимизации нелинейных и комбинационных искажений. Использование стробпреобразователей в амплифазометрах и анализаторах цепей потребовало теоретического рассмотрения недостаточно исследованных ранее путей расширения динамического диапазона приборов за счет увеличения «развязки» каналов преобразователя.
Вопросы анализа и расчета простейших схем умножителей частоты (УЧ) и генераторов гармоник (IT) см-диапазона на различных нелинейных элементах сегодня представлены в обширной литературе [19, 61-63, 84-100]. Однако,.несмотря на обилие различных методов (аналитических и машинных) анализа умножителей частоты СВЧ-диапазона, задача их проектирования, как отмечается в монографии И.Х. Ризкина [84], достаточно сложна, обычно решается итеративно, и важную роль играют экспериментальные исследования и практическая «доводка» реализованной схемы.
Роль экспериментальных методов исследования в проектировании преобразователей возрастает с увеличением диапазона рабочих частот, поскольку начинают, проявляться различные не учитываемые в расчетах факторы, возрастает погрешность в описании параметров элементов, труднее обеспечить требуемые допуски на механическое изготовление. В этой связи актуален поиск новых конструкций преобразователей, позволяющих производить настройку устройства в рабочем режиме, что могло бы во много раз уменьшить трудоемкость разработки и изготовления СВЧ-устройств.
Перспективным направлением совершенствования характеристик РИП в плане уменьшения габаритов и массы, повышения надежности является использование комплексированных многофункциональных СВЧ-преобразователей, объединяющих различные функциональные элементы [111]. Это делает задачу проектирования таких устройств очень важной. Здесь возникает ряд новых актуальных задач: оптимального выбора структурной схемы, тщательной отработки конструкции для Введение
исключения взаимного паразитного влияния различных элементов, реализации максимального количества функциональных возможностей и сохранения универсальности для различных применений.
Одна из современных тенденций РИА СВЧ-диапазона - создание многофункциональных РИП, одновременно обеспечивающих режим работы нескольких радиоизмерительных приборов: анализаторов сигнала и спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности [24]. В этой связи актуальна задача исследования и разработки универсального преобразователя частоты - входного устройства многофункционального измерителя.
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности и важности проблем совершенствования диодных преобразователей частоты как наиболее широкополосных СВЧ-устройств - основы построения РИП СВЧ.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ - разработка теоретически обоснованных методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты и создание на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП от единиц до сотен гигагерц.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Цель достигается решением следующих основных задач исследований.
1. Определение требований к современным и перспективным преобразователям частоты сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн.
2. Анализ и разработка принципов построения широкополосных диодных преобразователей частоты.
3. Поиск оптимальных-конструкций преобразователей частоты. Исследование и разработка методов анализа, расчета и проектирования преобразователей.
4. Исследование и разработка методов настройки преобразователей и контроля их параметров.
5. Разработка новой узловой элементной базы - многофункциональных ГИС преобразователей СВЧ для реализации повышенных характеристик РЭА.
6. Экспериментальное исследование широкополосных диодных преобразователей. Разработка рекомендаций по их применению в РЭА.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В работе при проведении теоретических исследований использован математический аппарат дифференциальных уравнений, операционного исчисления, специальных функций и ориентированных графов, а также машинные методы проектирования и оптимизации СВЧ-схем. Введение
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов определяется корректным использованием математического аппарата, вычислительных процедур расчета и моделирования, и подтверждена как экспериментально в лабораторных условиях, так и при эксплуатации разработанных устройств, внедренных в состав РЭА различного назначения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертации заключается в разработке методов проектирования широкополосных диодных преобразователей частоты, их теоретическом обосновании и создании на их основе новых СВЧ-устройств с преобразованием частоты, обеспечивающих существенное улучшение характеристик и расширение частотного диапазона РИП. В частности:
1. На основе теоретического анализа впервые разработана математическая модель, описывающая нелинейный режим работы стробпреобразователя в виде математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, а также допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Разработаны новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона, основанные на использовании априорной информации об ограниченном спектральном составе сигналов, обусловленной фильтрующими и резонансными свойствами волноведущих структур, что позволило получить математические соотношения, определяющие основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов), для инженерного расчета согласующих цепей и синтеза оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Предложены и разработаны методы расчета и проектирования базовых конструкций стробпреобразователей, умножителей и генераторов гармоник в виде гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ.
4. Предложены новые принципы использования стробпреобразователей в режимах многочастотного преобразования частоты, открывающие возможности расширения частотного диапазона, снижения потерь преобразования и построения СВЧ-делителей частоты высокой кратности.
5. Предложены и реализованы возможности расширения частотного диапазона стробпреобразователей (с единиц ГГц до сотен ГГц) и увеличения динамического диапазона (с 60 дБ до 80 дБ) многоканальных строб преобразователей за счет оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования стробимпульсов; увеличения «развязки» каналов; применения новых схемно конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения.
6. Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплексирован ных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой
элементной базы - для реализации повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводных, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
7. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы экспериментального исследования, настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность регулировки преобразователей и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц.
8. Впервые разработан универсальный преобразователь частоты - входное устройство многофункционального радиоизмерительного прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц.
НАРОДНОХОЗЯЙСТВЕННОЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ заключается в разработке и создании СВЧ-устройств с преобразованием частоты и внедрении их в РЭА общего и специального назначения, что обеспечило существенное расширение частотного диапазона РИП СВЧ (с единиц до сотен гигагерц); способствовало освоению мм-диапазона длин волн; обеспечило выпуск конкурентоспособных на мировом рынке радиоизмерительных приборов до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 180 ГГц в волноводах, а также позволило создать ряд уникальных измерительных установок для научных исследований. В частности:
1. На основе предложенных новых схемно-конструктивных решений разработаны базовые СВЧ-устройства с преобразованием частоты в виде ГИС СВЧ: строб-преобразователи, умножители частоты, генераторы гармоник для использования в радиоизмерительной аппаратуре с повышенными техническими характеристиками. Оригинальные конструкции стробпреобразователей защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения. Введение
2. Разработана новая элементная база с характеристиками, соответствующими лучшим зарубежным аналогам, для использования в сверхширокополосных СВЧ-преобразователях частоты: смесительные и умножительные диоды, сверхбыстродействующие ДНЗ, интегральные диодные сборки, монолитные ИС стробпреобра-зователей. За разработку и широкое внедрение в народное хозяйство сверхбыстродействующих кремниевых диодов нано- и пикосекундного диапазонов автору присуждена премия Совета Министров СССР 1991 года.
3. Предложены, разработаны и внедрены в практические устройства новые принципы многочастотного преобразования частоты в стробпреобразователях, что, в частности, обеспечило расширение диапазона частот до 0,1-18 ГГц и увеличение динамического диапазона до 80 дБ анализатора цепей РК4-55.
4. Предложены, разработаны и внедрены в практику методы настройки и оперативного контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени, что в 3-5 раз увеличивает производительность и дает возможность работы в миллиметровом диапазоне до 180 ГГц и выше, где отсутствует серийная измерительная аппаратура (анализаторы спектра, анализаторы цепей, частотомеры, осциллографы).
5. Предложены, оптимизированы и внедрены в практику структуры комплек-сированных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИА (стробосциллографов, амплифазометров, анализаторов цепей, частотомеров);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов).
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
1. Результаты теоретического анализа схем стробпреобразователей в нелинейном режиме работы в виде новых математических выражений, определяющих основные характеристики устройства: потери преобразования, уровень нелинейных и комбинационных искажений, допустимый уровень помех на входах преобразователя для обеспечения требуемого отношения сигнал/шум на выходе.
2. Новые математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты мм-диапазона в виде систем алгебраических уравнений в неявном виде, удобные для анализа основных характеристик умножителей (потерь преобразования, входных и выходных импедансов, уровней подавления паразитных сигналов), учитывающие особенности конструкции и априорную информацию о спектральном составе сигналов и используемые при расчете согласующих цепей и синтезе оптимальных конструкций СВЧ-устройств.
3. Новые, высокоэффективные методы расчета и проектирования базовых мик-рополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преобразователей GB4: стробсмесителей; стробпреобразователей с формированием стробимпульсов непосредственно вблизи смесительных диодов; умножителей частоты на диодах с накоплением заряда (ДНЗ); балансных удвоителей и утроителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ); генераторов гармоник на ДНЗ; с применением новой элементной базы и новых вариантов сочленений различных типов волноведущих структур; основанные на комплексном использовании результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.
4. Новые схемно-конструктивные решения в проектировании комплексирован-ных многофункциональных преобразователей частоты в виде ГИС СВЧ - новой узловой элементной базы, обеспечивающие оптимальное построение и реализацию повышенных характеристик РИА:
- входных устройств (на базе стробпреобразователей) широкой номенклатуры РИП (стробосциллографов до 40 ГГц, амплифазометров и анализаторов цепей до 40 ГГц в коаксиальных трактах и до 110 ГГц в волноводах, частотомеров до 180 ГГц);
- выходных формирующих цепей (на базе умножителей частоты и генераторов гармоник) источников сигналов (синтезаторов, генераторов, гетеродинов) в диапазоне частот до 180 ГГц.
5. Реализация вновь предложенных путей расширения частотного и динамического диапазонов стробпреобразователей за счет: оптимального согласования сигнального тракта; оптимизации цепей формирования строб импульсов; увеличения «развязки» каналов; повышения частоты гетеродина; применения новых конструкций стробпреобразователей, защищенных авторскими свидетельствами на изобретения, что в совокупности обеспечило расширение частотного диапазона коаксиальных строб преобразователей до 40 ГГц и до 180 ГГц волноводных; и увеличение динамического диапазона многоканальных преобразователей до 80 дБ.
6. Новые принципы использования строб преобразователей в режимах многочастотного преобразования частоты, основанные на модуляции частоты гетеродина и одновременном использовании нескольких различных по частоте сигналов ПЧ, что дает возможность снизить потери преобразования, расширить диапазон частот и создавать СВЧ-делители частоты высокой кратности.
7. Разработанный универсальный преобразователь частоты - входное устройство многофункционального радиоизмерительного прибора, одновременно обеспечивающего режим работы: осциллографа, анализатора спектра, анализатора цепей, частотомера, измерителя мощности в диапазоне частот 1,5-40 ГГц.
8. Методы настройки и контроля параметров СВЧ-преобразователей частоты (нелинейных широкополосных устройств), обеспечивающие панорамный режим работы и измерение характеристик (осциллограмм, КСВН, потерь преобразования, спектральных характеристик) в реальном масштабе времени; эти методы существенно (в 3-5 раз) увеличивают производительность и обеспечивают возможность работы в мм-диапазоне до 180 ГГц и выше, где наблюдается дефицит измерительного оборудования.
9. Результаты внедрения устройств с преобразованием частоты (строб преобразователей, умножителей, генераторов гармоник, многофункциональных преобразователей) в разработки радиоизмерительной аппаратуры в широком диапазоне частот от десятков МГц до сотен ГГц, подтверждающие эффективность и достоверность проведенных научных исследований.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав (29 параграфов), заключения, приложения, списка использованной литературы из 233 наименований. Объем диссертации составляет 247 страниц, включая 228 страниц основного текста, 114 рисунков и 33 таблицы.
Анализ методов исследования, схем и конструкций СВЧ-преобразователей частоты
Вопросы теоретического анализа стробпреобразователей, особенности расчета и проектирования их в диапазоне частот до 18 - 20 ГГц достаточно полно отражены в литературе применительно к осциллографии, которая, в первую очередь, стимулировала развитие стробоскопического метода преобразования частоты [14, 28, 33].
Большой вклад в теорию и практическое построение стробпреобразователей СВЧ внесли: Ю.А. Рябинин [14, 32], А.И. Найдёнов [28], В.И. Старосельский [27, 34, 35], Э. X. Херманис [33], J. Merkelo [36, 37], М. Sayed [15], V. Grove [38] и другие.
Простейшая схема стробоскопического смесителя (стробсмесителя), иллюстрирующая принцип его работы, изображена на рисунке 1.2.1 и представляет собой накопитель электромагнитной энергии - конденсатор С, подключенный к широкополосному согласованному СВЧ-тракту через безынерционный ключ (полупроводниковый диод), управляемый последовательностью стробирующих импульсов. Выходное напряжение снимается с накопительного конденсатора через УПЧ.
Стробоскопические смесители характеризуются теми же параметрами, что и гармонические и гармониковые смесители: диапазоном частот каналов, потерями преобразования, коэффициентом шума, развязкой каналов, динамическим диапазоном, КСВН входов, интермодуляционными искажениями и т.д.
Поскольку спецификой стробсмесителей является их широкополосность, то диапазон частот по СВЧ-входу и потери преобразования являются наиболее приоритетными характеристиками.Потери преобразования определяются какгде: Рвх - мощность СВЧ-сигнала, поступающая в стробсмеситель, Рвых - мощностьсигнала промежуточной частоты в нагрузке стробсмесителя. В теоретических расчетах часто используется коэффициент преобразования (по мощности), являющийся обратной величиной:
Из теории стробоскопического преобразования частоты [14, 28] известно, что широкополосность устройства определяется:- длительностью, величиной и формой стробимпульсов;- быстродействием смесительных диодов;- крутизной и формой их вольт-амперной характеристики;- уровнем внутренних шумов;- паразитными реактивными параметрами электрической схемы (емкостью и индуктивностью диодов, индуктивностью соединений проводников, топологическими особенностями схемы).
Для теоретического анализа процессов в стробпреобразователях и расчета их характеристик используют методы общей теории преобразователей частоты [39, 40] (частотные методы), впоследствии развитые в применении к стробпреобразова-телям в работах [28, 41-44]; и методы, основанные на импульсно-временном представлении механизма преобразования в стробсмесителе [14, 27, 32, 34, 45, 46]. Последние базируются на рассмотрении устройства в виде управляемой нелинейно-параметрической системы, представленной двухконтурной моделью, содержащей: контур управления (источник управляющего сигнала, НЭ и элемент связи) и контур сигналов (источник исследуемых сигналов, параметрический элемент, элемент памяти, элементы соединений), и наиболее полно разработаны в [14, 32] в применении к осциллографии. Показано, что данное устройство для исследуемых сигналов описывается системой линейных дифференциальных уравнений, а влияние управляющего воздействия описывается нелинейным дифференциальным уравнением. В результате решения систем уравнений получена переходная характеристика преобразователя, позволяющая анализировать быстродействие (широкополос-ность) систем различного порядка сложности с учетом инерционных свойств диодов, различных видов аппроксимаций их ВАХ и параметров схемы.
При кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода полоса стробсмесителя по уровню коэффициента преобразования 3 дБ (0,707 по напряжению) определяется соотношением (1.2.1), независимо от формы стробимпульсов [14].где и - длительность импульса на уровне открывания диодов.
В [14] приведены зависимости расчетной полосы стробсмесителя от длительности стробимпульса при различных аппроксимациях ВАХ диода и формах стробимпульсов, проанализировано влияние внутренних шумов на возможность достижения предельного быстродействия.
Доказана целесообразность выбора соответствующих схем входных устройств различной РЭА: симметричных двухдиодных стробпреобразователей - для широкополосных СВЧ-преобразователей и четырехдиодных мостовых - для универсального применения в нижней части СВЧ-диапазона (до 1 -2 ГГц).
Однако, результаты исследований и расчетов [14, 27, 32, 34, 45, 46], ориентированные на применение стробпреобразователей в осциллографии, вольтметрии и устройствах выборки и хранения (УВХ), получены в предположении, что напряжение на накопительном конденсаторе практически не меняется за время между соседними стробимпульсами:
При этом потери преобразования минимальны и не зависят от частоты гетеродина. В простейшем случае [14] при полигональной аппроксимации ВАХ диода:где R - некоторое эквивалентное сопротивление разряда конденсатора и /„ RC.
Для многих применений условие (1.2.2) не выполняется, накопительный конденсатор успевает частично (или полностью) разрядиться за время t = Тг, и наблюдается существенная зависимость потерь преобразования от частоты гетеродина /Г=1/Гг.
В [47] моделируя работу простейшей схемы стробсмесителя двумя процессами: заряда накопительного конденсатора в момент действия стробимпульса и разрядом его через сопротивление нагрузки 7?пч при закрытом диоде по окончании действия стробимпульса, получено выражение для коэффициента преобразования по мощности при условиях Тр = CRm ТГ и tH т3 = CR3ap:где ЯЛ- эквивалентное сопротивление генератора сигнала (25 Ом); Rs- омические потери в диоде.Формула (1.2.4), не смотря на то, что получена без учета многих факторов, имеющих место в реальных схемах смесителей, тем не-менее, указывает на основные закономерности процесса стробоскопического преобразования:- коэффициент преобразования КР растет с увеличением длительности стро бимпульсов и с уменьшением периода следования стробимпульсов (увеличивается энергия, отбираемая накопительным конденсатором и выделяемая в нагрузке ПЧ);
Специальные теоретические вопросы анализа и расчета характеристик стробпреобразователей
Повышение чувствительности и расширение динамического диапазона исследуемых сигналов являются важнейшими этапами совершенствования измерителей параметров цепей СВЧ-диапазона со стробоскопическим преобразованием частоты. Как отмечено в главе 1, чувствительность стробпреобразователя ограничена уровнем внутренних шумов и «развязкой» каналов (паразитным прохождением СВЧ-сигнала со входа «опорный» на вход «измерительный» по тракту гетеродина). Динамический диапазон определяется максимальным отношением уровней сигналов в каналах, измеренных (по амплитуде и фазе) с требуемой точностью, и зависит от чувствительности и амплитуды стробимпульсов.
Проанализируем зависимость «развязки» каналов от характеристик отдельных узлов стробоскопического преобразователя. Поскольку «развязка» каналов определяется паразитным прохождением СВЧ-сигнала со входа «опорный» на вход «измерительный» и обратно через формирователь перепада напряжения (по тракту гетеродина), то она зависит: от изоляции сигнального и гетеродинного входов строб-смесителей для СВЧ-сигнала, от потерь СВЧ-сигнала за счет аттенюации в формирователе перепада и от «развязки» стробсмесителя (измерительного канала) для преобразованного сигнала (баланса по гетеродину).
Определим «развязку» сигнального и гетеродинного входов стробсмесителя для СВЧ-сигнала.
Представим микрополосковый стробсмеситель двухдиодной эквивалентной схемой (рис. 2.2.1 [121]). Здесь: Rc, RHC - внутреннее сопротивление источника сигнала и нагрузка сигнального тракта смесителя, Rri RHr - внутреннее сопротивление источника гетеродина и нагрузка тракта гетеродина, / - длина щелевого резонатора, формирующего стробимпульс. «Развязка» входов стробсмесителяРис. 2.2.1 - Схема микрополоскового Зависит от параметров и неидентич стробсмесителя ности смесительных диодов, симметрии конструкции, наличия паразитных емкостей монтажа.
Современная гибридная тонкопленочная технология позволяет реализовать высокую степень симметрии топологии платы стробсмесителей, а использование бескорпусных смесительных диодов сводит к минимуму паразитные емкости монтажа.
Очевидно, паразитное просачивание СВЧ-сигнала с входа сигнала на вход гетеродина становится возможным за счет напряжения Up, образующегося в щелевом резонаторе между точками подключения диодов (1, 2) в силу того, что импедансы диодов в запертом состоянии не бесконечны и различны по величине.
Входное сопротивление щелевого резонатора в плоскости подключения диодов со стороны источника СВЧ-сигнала можно определить .из эквивалентной схемы параллельно соединенных двух короткозамкну-тых отрезков щелевой линии с входным сопротивлением yZotgcox и.линии гетеродина (рис. 2.2.2).
Заметим, что из условия формирования стробимпульса максимальной амплитуды и минимальной длительности
Здесь t$ - длительность фронта перепада напряжения гетеродина. Волновое сопротивление щелевого резонатора выбирается из условия максимальной передачи напряжения гетеродина. Рассматривая параллельное соединение двух линий передач (гетеродинной и щелевой), рис. 2.2.2, можно показать, чтодля эффективной передачи импульса гетеродина к диодам. Для определения коэффициента передачи СВЧ-сигнала в тракт гетеродина представим стробсмеситель эквивалентной схемой (рис. 2.2.3).
Здесь:Хід-индуктивности соединения диода, R\2 - сопротивления базы диода, С\ ,2 - емкости последовательно включенных накопительного конденсатора и емкости перехода,о = — - эквивалентное сопротивление источника 2сигнала,Е - амплитуда СВЧ-сигнала,ии = — - амплитуда стробимпульса.
При отыскании коэффициента передачи СВЧ-сигнала в тракт гетеродина будем полагать, что диоды находятся в запертом состоянии, то есть: UH = 0 и С\$ - емкости переходов. Учитывая (2.2.1), напряжение в тракте гетеродина Щ определяется разностью напряжений на резонаторе (между точками 1 и 2 эквивалентной схемы рис. 2.2.3). Находя UR =UX-U2 при синусоидальном сигнале источника с амплитудой Е, получим модуль коэффициента передачи в тракт гетеродина.полосе стробсмесителя GXI/ JLQCQ для 5% и 10% различия параметров диодов.
При этом: R = 50 Ом, р = 25 Ом, Z0 = 100 Ом, R0 = 10 Ом, L0 = 0,2 нГн, С0 = 0,2 пФ, т = 25 пс (исходя из минимальной практически реализуемой длительности фронта перепада 50 пс). C0Z0 n
Расчет показывает, что минимальная развязка входов стробсмесителя в рабочей полосе составляет -22 дБ и -28 дБ соответственно для 10% и 5% различия параметров диодов. Максимальное значение развязки при сот = п ограничивается минимальной величиной резонансного сопротивления за счет потерь в щелевом резонаторе. При расчете взято г =1 Ом.
Определим развязку стробсмесителя по преобразованному сигналу и прохождение стробимпульса в тракт сигнала. Конечная величина развязки стробсмесителя по преобразованному сигналу обусловлена неидентичностью параметров
Конструкции стробсмесителей сантиметрового диапазона
Требования к широкополосности стробоскопических смесителей и преобразователей частоты, успехи развития полупроводниковой радиоэлектроники (создание бескорпусных диодов с малыми паразитными параметрами, диодов с балочными выводами) предопределили и стимулировали исследование и проектирование стробсмесителей на микрополосковых линиях в виде ГИС СВЧ.
Рассмотрим наиболее широкополосные конструкции балансных стробсмесителей, которые находят применение при разработке современной РИА в диапазоне частот до 20-40 ГГц.Используя результаты приведенных в разделе 3.1 расчетов, в соответствии с рисунком 3.1.1 реализован один из первых в стране вариант широкополосного (до 18 ГГц) стробсмесителя в микрополосковом исполнении в виде ГИС СВЧ [117, 143-145], нашедший применение в разработках РИА [213, 215-218].
Стробсмеситель изготовлен по тонкопленочной гибридной технологии на диэлектрической подложке поликора толщиной 0,5 мм. Для формирования конструктивных накопительных конденсаторов в стробсмесителе (рис. 3.1.1). со стороны «земляного» покрытия делаются пазы. Толщина диэлектрика здесь достигает 0,15-0,1 мм, что соответствует номиналу накопительных конденсаторов 1 пФ. Готовые платы монтируются и устанавливаются в миниатюрные корпуса с СВЧ выходными разъемами тракта 3,5/1,5 мм.
В качестве смесительных диодов используются серийно выпускаемые 2А125А-3, 2А131А-3, элементы смесительные [146,147] и др., в качестве нагрузки линии гетеродина - миниатюрные резисторы С6-9, С6-2А или резистивные элементы, напыленные на подложке.Характеристики КСВН двух экспериментальных образцов стробсмесителей представлены нарисунке 3.2.1.
Описанный выше вариант конструкции стробсмесителя имеет много разновидностей в части выполнения накопительных конденсаторов, способа монтажа и места расположения смесительных диодов, реализации встроенной согласованной нагрузки сигнального тракта. Некоторые из них представляют практический интерес и рассматриваются ниже.
Для диэлектрических подложек с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью, например, поликора (є = 9,8) толщиной 0,2 - 0,5 мм можно обойтись при изготовлении накопительных конденсаторов без выполнения глухих металлизированных отверстий со стороны экрана, что существенно повышает технологичность изготовления смесителя. В этом случае размеры и форму площадок накопительных конденсаторов (позиция 5 рис. 3.1.1) выбирают из компромисса: реализации достаточно большого номинала С : 0,5-1 пФ и устранения собственных резо-нансов в рабочей полосе частот стробсмесителя. При диаметре круглой площадки 1,4 мм и толщине подложки 0,2 ммС 0,7 пФ, а резонансная частота колебаний волны низшего типа квази Е\ \0 около 32 ГГц [ 126].
Таким способом реализованы накопительные конденсаторы в большинстве разработанных нами стробпреобразователей (модели 7021-7024 таблицы 1 Приложения и др.).Заслуживают внимания варианты реализации накопительных конденсаторов с помощью толстопленочной технологии формирования диэлектрических слоев, которые используются в стробпреобразователе модели 7020.
В работах [36,37] представлена широкополосная 0-20 ГГц конструкция балансного стробоскопического смесителя с расположением смесительных диодов в щелевом резонаторе под возбуждающей линией гетеродина (рис. 3.2.2). Смеситель используется в СВЧ-частотомере 5340А фирмы Н.Р.В смесителе применены диоды Шотки с балочными выводами с емкостью перехода не более 0,1 пФ. Паразитная индуктивность выводов диодов и металлизированного отверстия составляет 250 пГн. КСВН стробсмесителя в диапазоне частот до 20 ГГц Не превышает 1,7; неравномерность потерь преобразования - не более 3 дБ.
Смеситель выполнен на кварцевой подложке, которая должна быть достаточно тонкой (но прочной) для реализации минимальной величины индуктивности соединения диодов с сигнальной линией. По электрическим характеристикам строб-смеситель аналогичен вышеописанным, но операция монтажа элементов представляет значительную трудоемкость.
Простым в технологическом отношении является микрополосковый стробсмеситель с разделенной «землей» (сигнала и гетеродина), выполненный на одной плате с двухсторонней топологией (рис. 3.2.3) [115, 144,212].
Стробсмеситель представляет собой соединение двух линий передачи: сигнальной микрополосковой (Г), нагруженной на 50 Ом (9) и щелевой гетеродинной, ко-роткозамкнутой по СВЧ с одной стороны (6). Щелевая линия возбуждается микрополосковой (12), смонтированной с обратной стороны подложки и нагруженной согласованным резистором (11). Между микрополосковой сигнальной и щелевой линиями включены смесительные диоды (10).
Копланарное расположение проводников позволяет свести к минимуму паразитные индуктивности соединений диодов. Выходной сигнал промежуточной частоты снимается через резисторы (5) со стробирующих емкостей (3), образованных перекрытием металлизацией щелевой и сигнальной линий. Замыкание нагрузочного резистора сигнальной линии (9) на «землю» осуществляется через металлизированное отверстие в плате (8) или с помощью штыря. Для развязки выхода смесителя от гетеродина по ПЧ в «земле» гетеродина прорезаны две тонкие щели (4), представляющие в СВЧ-диапазоне большую емкость и не вносящие затухания в тракт гетеродина.
Щелевой резонатор на короткозамкнутом по СВЧ конце разделен узкой щелью (7) для развязки плеч смесителя и возможности балансировки диодов. Для расширения полосы преобразователя на сигнальной линии выполнен согласующий фильтр из отрезков микрополосковой линии (2). Результаты расчета элементов то
Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты
Перспективным направлением создания сверхширокополосных источников СВЧ-сигналов является проектирование комплексированных многофункциональных ГИС, осуществляющих помимо умножения частоты функции усиления сигналов, фильтрации, коммутации, регулировки уровня мощности и другие. Такие уст ройства позволяют существенно упростить разрабатываемую на их базе РТА и сделать ее более компактной.
Для расширения частотного диапазона источников СВЧ-сигналов (генераторов, синтезаторов, гетеродинов) разработан широкополосный умножитель частоты, преобразующий сигналы диапазона 2-6,6 ГГц в диапазон частот 2-26,4 ГГц [177].
Структурно (рис. 4.3.1) умножитель выполнен на основе каскадирования 4-х полосовых умножителей частоты, осуществляющих удвоение частоты в диапазонах 6,4-9,5 ГГц; 9,3-13,2 ГГц и умножение на 4 (повторное удвоение) в диапазонах 12,8-19 ГГц; 18,6-26,4 ГГц. Для участка выходного диапазона частот 2-6,6 ГГц предусмотрено прямое прохождение сигнала (без умножения частоты) с усилением и возможностью регулировки уровня в пределах 10-15 дБ рш-аттенюатором. Коммутация сигналов осуществляется с помощью/л я-переключател ей.
Для компенсации потерь преобразования используются усилители на полевых транзисторах. К выходам удвоителей частоты диапазонов 6,4-9,5 ГГц; 9,3-13,2 ГГц подключены полосовые фильтры для увеличения подавления нежелательных гармоник входного сигнала.
Базовые элементы устройства - микрополосковые умножители частоты на быстродействующих диодах с накоплением заряда (ДНЗ) с полосой рабочих частот до 30% и потерями преобразования 6-Ю дБ рассмотрены в разделе 4.2.
Умножители обеспечивают примерно постоянные потери преобразования в интервале входных мощностей 50-250 мВт при оптимальном для данного уровня мощности напряжении смещения на ДНЗ. С уменьшением входной мощности до 10-20 мВт эффективность умножителя резко падает, что позволяет не предъявлять жестких требований к развязкам каналов переключателей. В этом случае удовлетворительные характеристики обеспечивают простейшие однодиодные (в каждом плече) / ш-переключатели на диодах 2А553-3, включенных последовательно в разрыв МПЛ.
Усилители мощности выполнены по балансной схеме на полевых транзисторах ЗП608А-5 и обеспечивают мощность на входах умножителей порядка 150-200 мВт.
Конструктивно умножитель СВЧ 2-26,4 ГГц выполнен в виде герметизированной микросборки (рис. 4.3.2) с входным/выходным коаксиальными разъемами сечением 3,5/1,5 мм и НЧ выводами для подключения питания и управляющих напряжений.
Все элементы умножителя (удвоители, усилители, переключатели, фильтры) выполнены на отдельных платформах, встраиваемых в три экранированных отсека корпуса. Габаритные размеры умножителя - 230x80x22 мм.
На рисунке 4.3.3 представлены частотные зависимости выходной мощности умножителя при уровне входной мощности 20 мВт. Выходная мощность в диапазоне частот 2-18 ГГц - не менее 20 мВт и 10 мВт до 26,4 ГГц. Подавление паразитных гармонических составляющих частоты входного сигнала в спектре выходного сигнала - не менее 25 дБ.
Характеристики умножителя измерены при фиксированных для каждого поддиапазона напряжения смещения ДНЗ, которые находятся в пределах ± 4 В. Усилительные каскады умножителя питаются напряжением + 9 В и потребляют ток около 1 А. Уровень выходной мощности в диапазоне частот 6,6-26,4 ГГц изменяется незначительно (менее 1 дБ) при изменении входной мощности от 10 до 30 мВт, так как усилительные каскады работают в режиме насыщения.
Другим вариантом широкополосного устройства является усилитель-умножитель частоты 4-8 / 4-20 ГГц, отличающийся от рассмотренного выше устройства диапазоном входных/выходных сигналов, что дало возможность несколько упростить структурную схему.
Выходной диапазон частот 4-20 ГГц формируется из четырех поддиапазонов:
Разбивка на поддиапазоны выбрана из условия максимального подавления побочных гармонических составляющих входного источника в спектре выходного сигнала при минимальном количестве полосовых умножителей, перекрывающих заданный диапазон.
Конструктивно устройство выполнено аналогично умножителю 2-26,4 ГГц.Выходная мощность умножителя - не менее 10 мВт при Ръх = 5-10 мВт. Подавление паразитных гармоник входного сигнала в спектре выходного сигнала - не менее 25 дБс.
Вариантом пассивного сверхширокополосного умножителя является разработанный умножитель-коммутатор 0,1-18 ГГц. Он предназначен для формирования зондирующего сигнала в диапазоне частот 0,1-18 ГГц в приборах Р4-53 и Р2-83. Умножитель выполнен в виде микросборки с тремя входами (0,1-1,5 ГГц; 1,5-3 ГГц; 3-6 ГГц) и общим выходом 0,1-18 ГГц. В диапазоне частот 0,1-6 ГГц обеспечивается прямое прохождение сигнала с потерями 5-Ю дБ. Диапазон частот 6-18 ГГц формируется умножением частоты на два (6-8 ГГц и 8-11 ГГц) и на три (11-14 ГГц и 14-18 ГГц). Коммутация каналов осуществляется переключателями на pin-диодах. Уровень мощности на выходе - не менее 3 мВт (при Рвх = 200 мВт). Подавление гармоник входного сигнала на выходе - не менее 25 дБ с. На выходе умножи Разработан комплект умножителей частоты на диодах с накоплением заряда (ДНЗ) для формирования спектрально чистых синусоидальных сигналов в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц из сигналов задающих источников с частотами в сотни МГц [22].
Структурно (рис. 4.3.4) умножители содержат: входной усилитель мощности (Яр 20 дБ; Рвых 100 мВт); умножитель, выполненный на ДНЗ совместно с полосовым фильтром (ПФі) на полуволновых связанных резонаторах; выходной усилитель мощности (Кр 15 дБ); дополнительный ПФ2 на встречных стержнях или на МПЛ с емкостными зазорами; кольцевой делитель мощности (3 дБ); оконечные усилители-вентили. Использование двух ПФ разной структуры обеспечивает высокий уровень подавления гармоник задающего источника в спектре выходного сигнала. Умножители выполнены на быстродействующем ДНЗ, установленном в щелевом резонаторе, конструктивно совмещенном с ПФ[. Потери умножителей 7-15 дБ. Кольцевой делитель мощности разделяет выходной сигнал на два канала и совместно с оконечными усилителями обеспечивает развязку между выходами. Некоторые модели умножителей имеют один выход.
Умножители выполнены в виде микросборок с коаксиальными входами (выходами) сечением 3,5/1,5 мм. Все функциональные элементы выполнены на поли-коровых подложках. Основные технические характеристики умножителей представлены в таблице 4.3.1.
