Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время значительно возрос интерес к малошумящим помехозащищенным приемным устройствам миллиметрового диапазона длин волн и особенно к устройствам его длинноволновой части (длины волн более 1,5 мм). Это связано с необходимостью проведения ряда фундаментальных исследований в области астрофизики, биологии и медицины; использованием волн рассматриваемого диапазона в системах межспутниковой и скрытной наземной связи, а также обеспечением элементной базой интенсивно'разрабатываемых радиорелейных станций миллиметрового диапазона с высокой помехозащищенностью и линий цифровой связи для сетей ЭВМ в условиях города и густонаселенной местности.
Необходимо отметить, что, как правило, основное внимание разработчиков высокочастотной части приемных устройств рассматриваемого диапазона сосредотачивается на получении минимального коэффициента шума (Km) без достаточного учета других характеристшс, в первую очередь, частотной избирательности. В этих случаях малошу-мящий приемник при наличии сильной внеполосной помехи не обеспечивает уверенного приема сигналов, не намного превышающих его шумовую чувствительность. И, наоборот, более шумящий приемник, но с входным фильтром, может оказаться в таких условиях более эффективным. Поэтому актуальной проблемой наряду с обеспечением низкого уровня собственных шумов приемного устройства является повышение ого частотной избирательности. Использование для этой цели отдельных фильтрующих узлов приводит к увеличению габаритов и стоимости ітриемника.
Отсутствие эффективных малошумящих транзисторных усилителей, сложности, связанные с созданием высокочастотных генераторов накачки для параметрических усилителей и применением мазеров в миллиметровом диапазоне волн, обусловили широкое использование приемни-коь, первым каскадом которых является диодный смеситель. Для мало шумящего приемника миллиметрового диапазона волн, когда на егс г.ходе имеется смеситель, наличие входного фильтра, как отдельной угла 'радиоприемного устройства, развязанного от влияния последующих узлов, в ряде случаев является неприемлемым при минимизациі шумов как смесителя, так и приемника в целом. В этой связи большой интерес представляет единое конструктивное построение высокочастотной части приемника, определяющее необходимость в целостног рассмотрении работы его узлов и блоков ( фильтра, смесителя, пред-
- з -варительного усилителя промежуточной частоти (1ІУПЧ), гетеродина >, шумовые свойства которых функционально связаны между соОой через параметры смесителя. Так, отклонение минимального коэффициента шума ПУТИ от своего оптимального значения зависит от выходного импеданса смесителя, который наряду с потерями преобразования зависит от выходного импеданса входного фильтра. Одновременно импеданс» и шумовая температура смесителя определяются уровнем и формой сигна ла гетеродина. Таким образом, смеситель является основным ключевым узлом приемного устройства миллиметрового диапазона, в значит'.'Лі ной степени определяющим его коэффициент иума и помехозащищенность
Реализация целостной структуры частотно-избирательного см-сп теля для малошумящих приемных устройств миллиметрового діппазоіп волн стала возможной благодаря развитию передовой интегральной те хнологии и созданию на ее основе высокочастотных беск/тпусннх >\rit,: диодов с барьером Шоттки (ДЬШ) и НС смесителей рассматриваем.):^'' диапазона волн. Более того, благодаря точности фотолитогрэфич-.'.т. го способа формирования элементов мікросхеми становятся ь-; гм-'ншмп новые схемы соединений и согласований импедансе^, что i!^;%L.;-^!.^.т' существенно расширить схемотехнику ИС смесителей и улучшить ИХ !!'; раметры. При этом гибридные интегральные схемі іГИСі смесит''.-:-:11 ;г своим электрическим и механическим параметрам, высокой нм-жн^-тн и малым габаритам существенно превосходят волноводние конструкции. Усложнение схемотехники приемных устройств, появление в н'ічал" длинноволновой части миллиметрового диапазона малошумящих усилите лей и стремление снизить шумы смесителя за счет максимального ум-
НЫИеНИЯ ЄГО размеров И ИСКЛЮЧеНИЯ МеЖСОеДИНіЗНИЛ ПРИКОЛ!) К !П/П,Л'
нию арсенидогаллиевых монолитных интегральных схем (МИС) смесит» лей миллиметрового диапазона. Все это требует развития точных мо делей для проектирования ИС смесителей с учетом специфики рассматриваемого диапазона длин волн.
К настоящему времени работы, посвященные общим вопросам преобразования частоты диодными смесителями, интенсивно проводящиеся как в нашей стране, так и за рубежом, определили основные модели процессов, происходящих в смесителе, и методы их анализа. Ь то же время работа ГИС и МИС малошумящих балансных частотно-избиратель ных смесителей в миллиметровом диапазоне имеет свои недостаточно исследованные особенности. Поэтому по-прежнему остаются актуальны ми исследования, посвященные разработке моделей ИС частотно-избирательных смесителей*, которые в системах единых параметров через
легко измеряемые или рассчитываемые величины позволяют проводить анализ и оптимизацию характеристик как отдельных узлов, так и всего смесителя в целом.
Кроме этого і для реализации максимального подавления внеполо--сных помех путем повышения прямоугольноети характеристики частотно-избирательной цепи смесителя миллиметрового диапазона волн без ухудшения чувствительности по основному каналу приема необходимо создать высокодобротные резонансные элементы. В настоящее время, благодаря достижениям в теории ДР СВЧ диапазона и в технологии керамических материалов, для селективных устройств рассматриваемого диапазона стало возможным использование ДР на низших типах колебаний. Однако ДР на основе существующих оточествошшх промышленных материалов с переходом в миллиметровый диапазон волн не обеспечивают достаточной добротности. Поэтому для их реализации в данном диапазоне требуется разработка новых диэлектрических материалов.
Прогресс в развитии частотно-избирательных устройств и в расширении их функционального применения р значительной степени опре -деляется возможностью их частотной перестройки. Так'как поддержание высокого значения добротности резонаторов играет очень важную роль, то для их частотной перестройки возможно применение только тех способов, которые не снижают этот параметр. Поэтому заслуживает большого внимания изыскание соответствующего способа перестройки частоты (СІГІ). В частности таким условиям в миллиметровом диапазоне, как показали исследования, наиболее соответствует пьезоэлектрический С1Г-І, который позволяет объединить высокодобротную механическую перестройку диэлектриком с высоким быстродействием электрической.
Таким образом, потребности практики и недостаточная исследо-і;ашюсть выше указанных вопросов в их взаимосвязи определяют актуальность темы диссертации.
Методика научных исследований включает: методы анализа высокочастотных устройств с использованием теории многополюсников, принципа декомпозиции и комплексных функций передачи, численны1; методы решения математических задач на ЭВМ, аналитическое и натур н->~' моделирование, методы измерения параметров малошумящих прием-ни>. устройств и резонаторов в миллиметровом диапазоне волн.
Научная новизна работы состоит в следующем. і. Представлены модели трактов ИС частотно-избирательного смесителя миллиметрового диапазона волн,- выраженные через параметры чс
- 5 -Тирехполюсника v комплексные функции передачи, учитывающие нагруз ки на зеркальной, суммарной и суммарно-зеркальней частотах, а также развязки между трактами.
2. Для реализации цепей НС смесителя предложены ноем интегральная
линия передачи - желобково-щелевая для диапазона частот свыше I'.".";
ГГЦ, ЭМПИрИЧеСКИе расчетные СООТНОШеНИЯ ДЛЯ КОПЛОН'-іРНОЙ ЛИНИИ Не
ре дачи, учитывающие толщину металлизации проводника, и дигчіі і-:-.:у. ее параметров.
-
Исследована чувствительность потерь ігреоорчр,.звания г\адан'чі' -v смесителя с неидентичной парой диодов к параметрам '.го !:х.>лм-":"' частотно-избирательной цепи на частоте гетеродина и ра'чгл-.г. ник-последней относите лига диодов. Учет такой зависимости п'-'ч >.;:.! т определять допуск на неидентичності диод, и !; к"Ш'р'-тном ча'-т т-г избирательном балансном смесителе, а также пути 'Чіикеннл ч.ч.".г:п Т''Льнссти его потерь преобразования к rip.;.: адонис мощное-ти : т- р' дина в сигнальный тракт.
-
Исследовано влияние патері ::r- .."р^::-. :.апн:! на -уммар!!. й и ;"""'' рно-зеркзлыюй частотах на щум частотно пзбпратеді и" г' !,']<":>'.та. Показано, что оно моя:ет вызыват}) увеличение К.„, смесителя .v л* ;-. Ь. Для частотно-избирательных цепг,й смесителя миллиметр-, в ;." диапазона разработаны Др из нового к^рамнче'ског ; материала in ooir і
СЛОЇЗШХ ПероВСКИТОВ, Значение ГГрОПЗВЄДеНИЯ ЄОб"ТВЄН!!ОЙ Д-^'р' ТИ''"ТИ
на резонансную частоту (в І'Г'іі) которых равно 0:0,111. і-нявл-мп пан большая эффективность применения в миллиметровом диапазоне пі,е;\ электрического способа перестройки частоты для п/.-троения ча--"Г'Т но-перестраиЕаемых колебательных структур на 'гн.ч' Л!: іір--дл.-,:і-мы конструктивные методы реализации пьезоэл^ктриче^к-г. '.!!'! ".:\:\ .'.'; и система параметров для оценки эффективности примчь-нин различных СИЧ в зависимости от рабочего диапазона частот.
Практическая ценность работы состоит в еледумц-.м.
-
Разработан комплекс алгоритмов и машинных программ расчета і миллиметроЕом диапазоне волн основных параметров интегральных ли ний передачи и МС частотно-избирательных смесителей ' пак-т прог рам "MIXER" ), позволяющих автоматизировать их проектирование.
-
На основе экспериментальной оптимизации элементов НО смесителей миллиметрового диапазона проведена классификация ИС; и опре де лены рекомендации по использованию той или иной схемы для кснкр-"'т ного применения.
-
Разработаны ГИС частотно-избирательных смесителей: балансных в
диапазоне частот 20...140 ГГц, субгармонического смесителя с фазовым подавлением зеркальной частоты диапазона 200 ГГц и однодиодно-_ го смесителя диапазона 140...160 ГГц с подавлением зеркальной частоты в контуре включения диода, а также показана возможность их создания на базе МИС.
-
Разработанные ГИС смесителей использованы в следующих помехоза-щищенных малошумящих приемных устройствах миллиметрового диапазона: высоконадежном герметичном преобразовательно-усилительном устройстве 5-мм диапазона волн для межспутниковой связи; высокочувствительном астрофизическом приемнике для проведения исследований параметров радиотелескопа РАТАН-600 и радиоастрономических наблюдений в миллиметровом диапазоне волн; приемнике-спектрометре для решения задач дистанционного зондирования поверхности суши, воды и льдов, располагаемом на борту самолета; ряде твердотельных приемников с подавлением зеркальной частоты диапазона 20...120 ГГц для измерительной аппаратуры и малогабаритных радиорелейных станций.
-
Созданы в миллиметровом диапазоне волн колебательные структуры на базе ДР с высокодобротной пьезоэлектрической перестройкой частоты и сформулированы требования на создание таких диэлектрических материалов, которые бы сочетали пьезоактивность с хорошими высокочастотными параметрами.
Реализация результатов работы. Материалы исследования реализованы при выполнении научно-исследовательских ( регистрационные номера 53660, 52465, 53904, 53825 ) и опытно-конструкторских ( регистрационные номера 53425 и 54223 ) работ в НИИ "Сатурн".
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 15 Всесоюзной научно-технической конференции "Радиоприемные устройства бортовых радиолокационных станций СВЧ" (г. Ленинград, 1985 г.), Всесоюзной научно-практической конференции молодых специалистов (г. Саратов, 1985 г.),'Всесоюзной научно-технической конференции "Электронное приборостроение" (г. Новосибирск, 1988 г.). Всесоюзной научно-технической конференции "Интегральная электроника СВЧ" (г. Красноярск, 1988 г.), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Актуальные проблемы в области радиоэлектроники, автоматики, вычислительной техники, энергетики, машиноприборостроения и промышленных технологий" (г. Киев, 1988 г.), 16 Всесоюзной научно-технической конференции "Радиоприемные устройства бортовых радиолокационных станций СВЧ" (г.
- 7 -Ленинград, 1988 г.), международной конференции "Microwave physics and technique" (г. Варна, Болгария, 1989 г.), Всесоюзной научно-технической конференции "Актуальные проблемы технологии композиционных материалов и радиокомпонентов в микроэлектронных информационных системах" (г. Ялта, 1990 г.).
Публикации. Основное содержание работы отражено в 16 публикациях в центральных изданиях и трудах всесоюзных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, изложенных на 188 страницах машинописного текста, списка литературы из 186 наименований отечественной и зарубежной литературы на 21 странице. Работа содержит 60 рисунков, 7 таблиц и приложение на 45 страницах.
