3.1.1. Элементы связи смесителей

В качестве элементов связи в балансных смесителях широко применяются гибридные устройства. В основе своей гибридное устройство является направленным ответвителем, использующим принцип сопряженных плеч для получения на двух выходных плечах взаимно развязанных сигналов с одинаковыми амплитудами.

Широкое распространение получили шлейфные мосты (рисунок 3.4).

Рис. 3.4. Шлейфные квадратурные мосты: а) эквивалентные схемы;

б) топологические схемы проводников.

Квадратурный мост представляет собой четырехплечное устройство, в котором два параллельных отрезка соединены между собой несколькими шлейфами (чаще всего двумя или тремя), имеющими длину и интервал между ними равными четверти длины волны в линии передачи на средней частоте рабочего диапазона.

Квадратурный мост является квадратурным, поскольку сдвиг фаз в выходных плечах составляет . Он полностью симметричен, поэтому его свойства одинаковы со стороны любого плеча. Например, мощность, поданная в 1 плечо, распределяется равномерно между 3 и 4 плечами и не поступает в плечо 2 из-за противофазности возникающих в нем СВЧ колебаний. В идеальном случае плеча 1 равен единице.

Для получения таких свойств моста волновые сопротивления его основных отрезков и должны находиться в определенных соотношениях (см. рисунок 3.4). Так для двухшлейфных мостов [12]:

, .

(3.6)

Для трехшлейфного моста справедливы соотношения:

, , .

(3.7)

Широко известен также кольцевой мост с длиной кольца (рисунок 3.5).

Рис. 3.5. Топология проводника кольцевого моста длиной .

Рассмотрим работу кольцевого моста. В нем имеет место режим стоячей волны. Сигнал, подаваемый, например, на вход 1, разделяется и волны проходят по двум путям вдоль кольца. Так как отрезки кольца имеют определенную длину, то эти волны оказываются синфазными в плечах 2 и 4, где и образуются пучности. В плече 3 волны оказываются в противофазе. В результате сигнал, поданный в плечо 1, распределяется поровну между 2 и 4 плечами. Очевидно, что сигнал, подведенный к плечу 1 или 4, будет распределяться между смежными плечами синфазно, а при подаче его в плечо 2 или 3 - противофазно. Таким образом, кольцевой мост является синфазно-противофазным. Согласование всех плеч кольцевого моста достигается, когда соотношение волновых сопротивлений линии кольца и подводящих линий определяется выражением:

(3.8)

Таким образом, проектирование кольцевого моста, также как и шлейфных мостов сводится к проектированию МПЛ с заданным волновым сопротивлением. Отметим, что название "кольцевой мост" не отражает реальную топологию моста, которая может быть весьма отличной от кольцевой.

Реальные СВЧ-мосты характеризуются рядом параметров. Из-за неидеальности свойств реальных мостов мощность входного сигнала распределяется между выходными плечами не строго пополам, а сдвиг фаз колебаний отличается от номинала . Неравномерность распределения называют разбалансом амплитуд моста, а отличие фазового сдвига от номинала - разбалансом фаз.

Кроме указанных параметров реальные мосты характеризуют:

• коэффициентом стоячей волны по напряжению всех плеч ( );

• развязкой изолированного плеча ( ).

Все перечисленные параметры моста являются частотно-зависимыми. Поэтому в зависимости от предполагаемой рабочей полосы частот существуют определенные рекомендации по применению того или иного моста. Например, сравнение частотных характеристик рабочих параметров кольцевого и шлейфного гибридных соединений показывает, что кольцевой мост является более ширкополосным. При работе на рассогласованные нагрузки развязка в кольцевом мосте оказывается лучше, а согласование входа хуже, чем в шлейфном мосте.

Расчет влияния потерь в линии передачи показывает, что и здесь некоторое преимущество имеет гибридное кольцо по сравнению со шлейфным гибридом. Влиянию технологических допусков на реализацию требуемого волнового сопротивления в большей мере подвержен двухшлейфный мост по сравнению с кольцевым мостом.

Трехшлейфный мост по ширине полосы пропускания аналогичен кольцевому, но его параметры, также как и в двухшлейфном мосте, в большей степени зависят от неоднородностей и допусков, а потери оказываются несколько выше из-за большей длины линий. Трехшлейфные мосты также чувствительны к изменениям размеров линии, как и двухшлейфные.

Тем не менее, многие разработчики, решая вопрос о выборе моста, отдают предпочтение двухшлейфному, несмотря на его несколько худшие электрические характеристики по сравнению с кольцевым. Это обусловлено тем, что рабочие выходные плечи шлейфного моста являются смежными и их достаточно просто объединить в планарной конструкции.

Сравнивая между собой двух- и трехшлейфные мосты, можно отметить, что в относительной полосе рабочих частот их параметры соответственно равны [13]:

• = 1,26; 1,03;

• разбаланс амплитуд  = 0,24; 0,12 дБ;

• развязка изолированного плеча = 19; 37 дБ.

Как видим, параметры трехшлейфного моста значительно лучше. Но с другой стороны, двухшлейфный мост имеет меньшие потери. Поэтому в тех случаях, когда требуемая относительная полоса частот не превосходит 5-7% и важны малые размеры и потери, целесообразно использовать двухшлейфный мост. Наличие потерь в отрезках МПЛ, составляющих реальный мост, ухудшает и развязку плеч моста, но не изменяет разбаланса амплитуд [12]. Влияние потерь на параметры двухшлейфного моста на частоте рассчитывается по формулам:

,	(3.9)
, дБ	(3.10)
, дБ	(3.11)

где и - полные потери в шлейфе и отрезке основной линии.

, Нп,

(3.12)

где l - геометрическая длина отрезков МПЛ, м;

, Нп/м -

(3.13)

коэффициент потерь в проводниках МПЛ;

-

(3.14)

поверхностное сопротивление ( - удельная проводимость металла (Омм)-1; Гн/м - магнитная проницаемость вакуума;  - относительная магнитная проницаемость проводника); h - толщина подложки, м;

, Нп/м -

(3.15)

коэффициент потерь в диэлектрике.

Параметры кольцевого моста на средней частоте с учетом потерь в линии кольца можно рассчитать по следующим формулам:

,	(3.16)
, дБ	(3.17)
, дБ	(3.18)
, дБ.	(3.19)

Пример 3.1. Выбрать и спроектировать гибридное устройство балансного смесителя радиометрического приемника, работающего на частоте 9,375 ГГц ( = 3,2 см), промежуточная частота приемника = 300 МГц при полосе пропускания = 500 МГц.

Смеситель исполнен в виде интегральной схемы на поликоровой подложке мм ( = 9,8). Материал проводников - медь, подводящие линии имеют волновые сопротивления = 50 Ом.

1. Найдем минимально необходимую полосу частот смесителя, предполагая в выражении (3.5) :

ГГц, тогда .

2. Исходя из значения промежуточной частоты и полосы частот = 500 МГц, выбираем в качестве выходной цепи смесителя фильтр нижних частот, а, следовательно, в качестве гибридного устройства мы вынуждены по конструктивному признаку выбрать трехшлейфный мост со смежными выходными плечами.

3. Исходя из предварительной информации о сложности исполнения МПЛ с волновым сопротивлением > 90 Ом, найдем волновое сопротивление и ширину полоски крайних шлейфов (см. рисунок 3.4):

Ом.

4. По формуле (1.31) найдем ширину полоски крайнего шлейфа:

мм; где

Расчетную ширину проводника крайнего шлейфа трудно реализовать.

5. Примем реализуемую ширину проводника крайнего шлейфа 0,1 мм и найдем значение волнового сопротивления шлейфа, используя (1.26), рассчитав предварительно по (1.28):

Ом;

мм.

6. Найдем необходимое волновое сопротивление в плоскости крайнего шлейфа:

Ом.

7. Найдем волновое сопротивление основной линии и среднего шлейфа:

Ом.

8. Найдем ширину полоски основной линии и среднего шлейфа, используя (1.30):

тогда геометрическая длина отрезков:

9. Для исключения рассогласования в плоскости шлейфов, между подводящей линией и мостом в плоскости шлейфа необходимо включить четвертьволновый трансформатор, волновое сопротивление которого определяется из выражения: Ом.

Для линии с данным волновым сопротивлением мм; ; мм. Полная длина трехшлейфного моста 12,19 мм.

Конструктивной основой многоканальных схем, наряду с гибридными соединениями, служат делители мощности.

Простейшему делителю мощности - тройниковому двухканальному разветвлению на МПЛ - присущи принципиальные недостатки: отсутствие развязки выходных плеч, согласование входов в узкой полосе частот. Поэтому на практике чаще используется двухканальный синфазный направленный делитель мощности (рисунок 3.6), боковые плечи которого связаны баллансным резистором R на расстоянии от точки разветвления.

Волновое сопротивление линии кольца , а балластное сопротивление - . При таких значениях делитель имеет следующие свойства: при согласованных нагрузках плеч все входы делителя тоже оказываются согласованными; мощность, подводимая к плечу 3, делится поровну между плечами 1 и 2 без потерь (точки Б и В эквипотенциальны); мощность, поступающая в плечо 1 (2) проходит в плечо 3 с ослаблением в 3 дБ (вторая половина мощности поглощается в резисторе R) и не поступает в плечо 2. При подаче к плечам 1 и 2 синфазных колебаний с равными амплитудами делитель будет работать как сумматор без потерь.

Рис. 3.6. Кольцевой делитель мощности: а) структурная схема;

б) возможная топология.

Кольцевой делитель работает в широкой полосе частот. В частности, дБ и обеспечиваются в 36% полосе частот [14]. Активные потери в кольцевой линии незначительно ухудшают параметры делителя. Проектирование кольцевого делителя сводится к проектированию отрезков МПЛ определенной длины и волнового сопротивления, а также пленочного резистора.

Улучшение характеристик и параметров смесителей может быть достигнуто применением мостов, выполненных на нескольких различных типах линий передачи. Например, "магическое" Т-соединение наиболее просто реализуется на комбинациях ортогональных линий передачи, например, щелевых и копланарных или щелевых и микрополосковых (рисунок 3.7).

В гибридном устройстве (рисунок 3.7, а) при возбуждении плеча 1 на щелевой линии сигнал делится пополам и в противофазе снимается с поперечных линий А и Б. На противоположном плече 4 сигнал отсутствует, так как на него сигналы поступают в противофазе. При возбуждении копланарной линии 4 сигнал делится на равные части и синфазно поступает в поперечные плечи А и Б, при этом противоположное плечо 1 на щелевой линии не возбуждается, так как проводники щелевой линии имеют одинаковые потенциалы. Развязка выходных плеч зависит от симметрии устройства.

В гибридном устройстве (рисунке 3.7, б) щелевые линии 1 расположены на одной стороне подложки, а микрополосковые 3 - на другой. Щелевая линия 1 и микрополосковая 3 выступают за плоскость тройника на четверть волны в данной линии передачи, что создает короткозамкнутые четвертьволновые шлейфы. При возбуждении щелевой линии 1 сигнал в противофазе поступает в поперечные щели, а в микрополосковую линию 3 в фазе. В данном случае противоположные плечи 1 и 3 развязаны между собой. Существуют и другие разновидности планарных аналогов двойного тройника [14].

Рис. 3.7. "Магическое" Т-соединение [15]:

а) комбинация щелевых и копланарных линий; б) комбинация щелевых и микрополосковых линий; 1 - щелевая линия; 2 - подложка; 3 - микрополосковая линия; 4 - копланарная линия.