Змішувач надвисоких частот на планарному діоді з бар’єром шотткі

Реферат: Змішувач надвисоких частот на планарному діоді з бар'єром Шотткі містить в собі активний параметричний елемент - безкорпусний діод з бар'єром Шотткі, якій виконаний з плоскими смужковими виводами і з'єднаний анодним кінцем з узгодженою смужковою лінією передачі, розміщеною вздовж симетричної і паралельно вузькій стороні хвилеводу з пристроями для подавання сигналів. Смужкова узгоджуюча лінія передачі, що розміщена в хвилеводі, виконана зі змінною геометрією і складається із трьох частин: мікросмужкової, щілинної та антиподної. UA 72164 U (12) UA 72164 U UA 72164 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до пристроїв обробки надвисоких частот (НВЧ) радіосигналів змішувача, який перетворює частоту вхідного сигналу в енергію проміжної частоти. Змішувач, який заявляється, може бути використаний для дослідження спектральних характеристик сигналів передавальних пристроїв радіорелейних ліній, радіонавігаційних систем, систем радіобачення та радіолокації. До нашого часу та в наш час НВЧ змішувачі забезпечують основу гетеродинного приймання і успішно використовуються у всіх типах мікрохвильових систем цивільного та військового призначення. Ці пристрої знайшли своє основне призначення в наступних царинах: радари всіх систем, електронна протидія, управління зброєю, комунікації, вимірювальна апаратура, радіоастрономія і тому подібне. НВЧ змішувачі працюють в діапазоні від 1 до 1000 ГГц, рухаючись в терагерцову частину мікрохвильового спектра. Відомі НВЧ пристрої для змішування частот сигналу та гетеродина на мікросмужкових лініях [Чернушенко А.М., Петров Б.В., Молорацкий Л.Г., Меланченко Л. Е., Бальсевич А.С. Конструирование экранов и СВЧ устройств. М.: Радио и связь, 1990]. Топологічна схема небалансного змішувача містить в собі фільтр для розв'язки входів вхідного сигналу та сигналу гетеродину, діод, фільтр проміжної частоти, режекторний фільтр для приглушення дзеркального каналу. Цей змішувач має малі габарити і вагу та простий і дешевий в реалізації. Головними недоліками розглянутого НВЧ пристрою є вузька смуга та втрати потужностей вхідного та гетеродинного сигналів через діелектричні втрати в мікросмужкових лініях. Частково ці недоліки подолані в технічному рішенні [Siegel P. H., Dengler R. J., Mehdi I., Oswald J. E., Bishop W. L., Crowe T. W., Mattauch R. J., Measurements on a 215-GHz subharmonically pumped waveguide mixer using planar back-to-back air-bridge Schottky diodes. IEEE Transactions. Microwave Theory and Techniques, Nov. 1993, 41 pp. 1913-1921]. В цьому змішувачі сигнал гетеродина спочатку подається в хвилевід, а потім, через з'єднувальний оптимізований зонд в мікросмужкову лінію передачі. Вхідний сигнал подається по окремому хвилеводу в зону, де знаходиться планарний діод з бар'єром Шотткі. Цей пристрій по суті є найближчим до заявлюваного і є його прототипом. Указане технічне рішення дало змогу розширити смугу частот і зменшити втрати вхідного сигналу та сигналу гетеродина. Шуми гетеродина були приглушені до рівня 30 дБ. Для роботи змішувача цього типу вимагалась значна менша потужність гетеродина. Незважаючи на перелічені позитивні якості прототип має суттєвий недолік - перехід хвилевід-мікросмужкова лінія для вхідного сигналу та сигналу гетеродина, де відбуваються основні втрати мікрохвильової потужності гетеродина. Як визнають самі автори цієї роботи не всі параметри цього змішувача оптимізовані. Головним параметром НВЧ змішувачів є чутливість по струму I , яка залежить від ємності омічного опору контактної системи rпос та змінного опору в бар'єрі Шотткі rдиф . Значення I максимально при умові повного узгодження діода з лінією передачі НВЧ потужності. Це відбувається тоді, коли індуктивність підводів діода Lпос повністю скомпенсована. Задачею пропонованого технічного рішення є значне підвищення струмової чутливості змішувача, зменшення втрат НВЧ потужності гетеродина та вхідного сигналу. В основу корисної моделі поставлена задача - розробка НВЧ змішувачів на планарному діоді з бар'єром Шотткі з високими технічними параметрами, а саме: - динамічний діапазон більше 70 дБ, - власні шуми не більше 165 дБм/Гц, - діапазон робочих частот 37,5-53 ГТц. Поставлена задача вирішується тим, що в НВЧ змішувачі, який містить в собі активний параметричний елемент - безкорпусний діод з бар'єром Шотткі, який виконаний у вигляді повітряного мосту з плоскими смужковими виводами і з'єднаний анодним кінцем з узгодженою смужковою лінією передачі, розміщеною вздовж симетричної і паралельно короткій стороні хвилеводу з пристроями для подавання сигналів, які приймаються приймачем та гетеродином, згідно зкорисною моделлю, що з метою зменшення втрат потужності вхідного сигналу та сигналу гетеродина, для збільшення струмової чутливості, смужкова узгоджуюча лінія передачі, що розміщена в хвилеводі, виконана зі змінною геометрією і складається з трьох частин: мікросмужкової, щілинної та антиподної, при цьому імпеданс реактивних зовнішніх елементів діода з бар'єром Шотткі дорівнює імпедансу мікросмужкової лінії Zв  Z1 , імпеданс вхідного пристрою дорівнює імпедансу антиподної лінії Zвх  Z3  , а імпеданс щілинної лінії дорівнює середньому геометричному імпедансів мікросмужкової та антиподної ділянок передавальної лінії Z 2  Z1  Z3 , при цьому ширина смужки мікросмужкової лінії визначається виразом: 1 UA 72164 U w 8h  expA  , мм; exp2 A   2 1 де: A  ZВ  r  1 2  r  1   0.23  0.11 ;     60  2  r  1  r    ZВ  Lno c CВ 1   2   Lno c CВ , Oм; Lnoс - індуктивність електричних виводів безкорпусного діода, Гн; 5 CВ - ємність електричних виводів діода, пФ; Z В - імпеданс реактивних зовнішніх елементів діода з бар'єром Шотткі, Ом; r - відносна діелектрична проникність передавальної лінії; h - товщина діелектрика мікросмужкової лінії, мм. Відстань між елементами антиподної лінії: 10 S  0   0  r   2  Z 3   0  r , мм; де:  0 - діелектрична проникність вакууму;  0 - магнітна проникність вакууму;  - кут діелектричних втрат матеріалу передавальної лінії; Z 3 - середнє значення імпедансу в середньому перерізі антиподної ділянки; 15 Z3  Z 2  Z вх , Ом. 2 При цьому ширина перекриття щілинної лінії буде визначатись виразом: a  h  8  e 2r . де: r  Z 2 r 120 ; Z 2  Z1  Z 3 . 20 25 30 35 40 45 Новими ознаками, які має технічне рішення, що заявляється, у порівнянні з прототипом, є виконання лінії передачі, що узгоджена, зі змінною геометрією, параметри кожної частини якої встановлюються співвідношеннями, що заявляються. Виконання НВЧ змішувача на планарному діоді з бар'єром Шотткі з означеними особливостями дає змогу отримати технічний результат, що заявляється - значно зменшити втрати НВЧ потужності вхідного сигналу та сигналу гетеродина, а також підняти струмову чутливість всього пристрою і зменшити потужність шумів. Можливість виконання корисної моделі підтверджується кресленнями: Фіг. 1 - еквівалентна електрична схема параметричного діода з бар'єром Шотткі. Фіг. 2 - еквівалентна електрична схема лінії передачі, що узгоджена з постійними реактивними параметрами діода з бар'єром Шотткі. Фіг. 3 - схематичне зображення НВЧ змішувача з розрізами лінії передачі, що узгоджена. Фіг. 4 - розріз мікросмужкової лінії передачі по площині А-А. Фіг. 5 - розріз початкової ділянки щілинної лінії передачі по площині В-В. Фіг. 6 - розріз кінцевої ділянки щілинної лінії передачі по площині C-C. Фіг. 7 - розріз антиподної лінії передачі по площині D-D. Фіг. 8 - варіант реалізації заявленого НВЧ змішувача на планарному діоді з бар'єром Шотткі вигляд з боку приєднувального фланця. Фіг. 9 - варіант реалізації заявленого НВЧ змішувача на планарному діоді з бар'єром Шотткі вигляд з боку коаксіальних з'єднань та клем джерела живлення, заземлення. Для доказу можливості реалізації заявленого технічного рішення розглянемо еквівалентну електричну схему параметричного діода з бар'єром Шотткі, яка зображена на Фіг. 1. Зовнішні постійні реактивні параметри безкорпусного діода є послідовна індуктивність Lnoс та зовнішня ємність Cв елементів електричних підводів. Через Cпер і rдиф позначені нелінійні ємність і опір бар'єра Шотткі, які залежать від зворотної напруги. Постійний омічний опір контактної системи позначений як rпос . Ці параметри складають комплексний імпеданс бар'єра Шотткі Z д . Найменші втрати СВЧ потужності перетворення можливі тільки при повному узгоджені 2 UA 72164 U зовнішнього імпедансу діода з лінією передачі вхідного сигналу гетеродина. Це можливо тільки при повній компенсації Lnoс з елементами передавальної лінії, як показано на Фіг. 2. Зовнішні 5 реактивності діода Lnoс та Cв утворюють зовнішній імпеданс діода Z в . Лінія узгодження з боку гетеродина та вхідного сигналу складається з трьох частин з імпедансами Z1, Z2, Z3 та виконана на спільній підкладці, яка розміщена всередині вздовж вузької сторони хвилеводу. Передавальна лінія закріплена з серединами широких сторін хвилеводу. Згідно з відомим способом, декомпозиції лінію, що узгоджує, умовно ділимо на три ділянки з імпедансами Z1, Z2 та Z 3 . Ділянка передавальної лінії з імпедансом Z 1 являє собою мікросмужкову лінію, яка плавно переходить в щілинну лінію з імпедансом Z 2 . При цьому для мінімізації втрат 10 15 20 перетворення НВЧ потужності необхідно виконання умови Zв  Z1 . З боку вхідного сигналу та сигналу гетеродина передавальна лінія ділянки Z 3 виконана у вигляді антиподної лінії, яка плавно переходить в щілинну лінію. Для зменшення втрат потужності вхідного сигналу і сигналу гетеродина необхідно виконання умови Z3  Zвх . Згідно з теорією довгих ліній [Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.] задовільне узгодження досягається у випадку, коли значення імпедансу середньої ділянки є середнім геометричним від значень імпедансів сусідніх ділянок. Таким чином Z 2  Z1  Z3 . Розглянуті ділянки узгодженої лінії передачі показані на фіг. 3, фіг. 4, фіг. 5, фіг. 6 та фіг. 7. Для находження ширини мікросмужкової лінії, яка одним кінцем з'єднана з діодом Шотткі, використано співвідношення, які опубліковані в роботі [Фуско В. СВЧ цепи: Анализ и автоматизированное проектирование. Μ.: Радио и связь, 1990]. w h  8 expA  , мм exp2 A   2 (1) Для нашого випадку параметр A  152 , тоді для знаходження A використовуємо вираз: , 25 1/ 2 A Z В  r  1    60  2   r  1  0.11 .  0.23    r  1  r   (2) Відстань між елементами антиподної лінії в перерізі середньої ділянки залежить від значення імпедансу в цій точці. Приблизно це значення знаходимо з виразу: Z3  Z 2  Z вх 2 (3). 30 35 З другого боку, точні уніфіковані рішення для знаходження імпедансу антиподної лінії, які розміщені в хвилеводі, приведені в роботі [D. Mirshekar-Syhkal and J. Davies. An accurate unified solution to various fm-line structures of phase constant, characteristic impedance and attenuation. IEEE Trans of Microwave Theory and Techniques. Vol. 30. No. 11. November. 1982. pp. 1854-1861]. В цій роботі імпеданс антиподної лінії дається наступними співвідношеннями: Z3  1 p  C (4), де: 2  0  r  S ;  1 . p  0  0  r C (5) (6) 40 Приймаючи до уваги співвідношення (3), (4), (5) і (6) знаходимо відстань між елементами антиподної лінії в перерізі цієї ділянки: 3 UA 72164 U S   0  0  r Z 2  Zвх   0  r (7) . Ширина перекриття щілинної лінії буде залежати від імпедансу щілинної лінії Z 2 , який визначається сусідніми ділянками: 5 Z 2  Z1  Z 3 . Для визначення ширини перекриття w використаємо співвідношення, які приведені в роботі [Справочник по расчету конструированию СВЧ полосковых устройств. Бахарев С. И. и др. // Радио и связь, М.-1982] и w  8he2r , мм. (8) Де: r Z1  Z2  r 120 . (9) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Таким чином, заявлене технічне рішення має нові оригінальні елементи і відповідає критерію "новизна". А саме - когерентний синтез в синтезаторі за допомогою ФАПЧ виконаний на основі нової мікросхеми AD9858 фірми Analog Devices, що дало змогу зменшити габарити пристрою й його вартість. В змішувачі постійна напруга зміщення подається на діод через режекторний фільтр, який показано на фіг. 3. Де 1 - режекторний фільтр, 2 планарний діод з бар'єром Шотткі, 3 - перехід хвилеводу на мікросмужкову лінію. Можливість практичної реалізації заявленого НВЧ змішувача доведено варіантом виконання, як показано на фіг. 8 та фіг. 9. Пристрій виконаний у вигляді моноблока, який приєднується до приймального тракту за допомогою фланця шляхом з'єднання хвилеводу 4 з хвилеводом вхідного сигналу, що досліджується (на фіг. 8 не показано). На стороні, протилежній приєднувальному фланцю, фіг. 9, розміщені коаксіальний вихід проміжної частоти 5, клема заземлення моноблока 6, коаксіальний вхід для сигналу частоти гетеродина 7 та клема подавання напруги живлення 8. Лінія передачі, що узгоджує, виконана по технології гібридних інтегральних схем на дюроїді. Таке виконання НВЧ змішувача дає змогу зміщати частоту вхідного сигналу в нижню частину спектра - що дозволяє вивчати спектр корисного сигналу за допомогою стандартних приладів. Вищезгадані інновації в НВЧ змішувачі дали змогу досягти таких параметрів: - динамічний діапазон більше ніж 70 дБ; - власні шуми менше ніж 165 дБм/Гц; - нерівномірність сигналу в діапазоні робочих частот 37,5-53 ГГц менше ніж 3 дБ; - термін безвідмовної роботи близько 10000 годин. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Змішувач надвисоких частот на планарному діоді з бар'єром Шотткі, що містить активний параметричний елемент - безкорпусний діод з бар'єром Шотткі, який виконаний з плоскими смужковими виводами і з'єднаний анодним кінцем з узгодженою смужковою лінією передачі, розміщеною вздовж симетричної і паралельно вузькій стороні хвилеводу з пристроями для подавання сигналів, які приймаються приймачем та гетеродином, узгоджену з активним елементом смужкову лінію передачі з режекторним фільтром для частоти гетеродину, приймаючого сигналу з вихідним пристроєм для зняття сигналу проміжної частоти, який відрізняється тим, що смужкова узгоджуюча лінія передачі, що розміщена в хвилеводі, виконана зі змінною геометрією і складається із трьох частин: мікросмужкової, щільової та антиподної, при цьому імпеданс реактивних зовнішніх елементів діода з бар'єром Шотткі дорівнює імпедансу мікросмужкової лінії Zв  Z1 , імпеданс вхідного пристрою дорівнює імпедансу антиподної лінії Zвх  Z3  , а імпеданс щілинної лінії дорівнює середньому геометричному імпедансів мікросмужкової та антиподної ділянок передавальної лінії Z 2  Z1  Z 3 , при цьому ширина смужки мікросмужкової лінії визначається виразом: 4 UA 72164 U w 8h  expA  , мм exp2 A   2 1    1 2   1 де: A  ZВ / 60 r   r  0.23  0.11/ r  , r  1  2  Lno c ZВ  CВ 1  2   Lnoc  CВ , Oм Lnoс - індуктивність діода з бар'єром Шотткі, електричних виводів безкорпусного діода, Гн. 5 CВ - ємність електричних виводів діода, пФ. Z В - імпеданс реактивних зовнішніх елементів діода з бар'єром Шотткі, Ом. r - відносна діелектрична проникність передавальної лінії, h - товщина діелектрика мікросмужкової лінії, мм. Відстань між елементами антиподної лінії: 10 S  0   0  r   2  Z 3   0  r , мм; де:  0 - діелектрична проникність вакууму, 2  0 - магнітна проникність вакууму, Η/Α ,  - тангенс кута діелектричних втрат матеріалу передавальної лінії, Z 3 - середнє значення імпедансу в середньому перерізі антиподної ділянки, 15 Z3  Z 2  Z вх , Ом; 2 при цьому ширина перекриття щілинної лінії буде визначатись виразом: a  h  8  e 2r , мм; де: r  Z 2 r 120 , Z 2  Z1  Z 3 . 5 UA 72164 U 6 UA 72164 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7