3.1.2. Смесительные секции

Смесительная секция представляет собой элемент преобразователя частоты, обеспечивающий:

• согласование импеданса диода с импедансом подводящей линии передачи;

• короткое замыкание для токов СВЧ одного из выводов диода с заземленным проводником линии;

• развязку между цепью СВЧ и цепями промежуточной частоты и выпрямленного тока ;

• замкнутую цепь на корпус для токов промежуточной частоты и выпрямленного тока со стороны вывода диода ближайшего к СВЧ входу.

В простейшем случае смесительная секция представляет собой последовательно включенный в МПЛ смесительный диод, к выходному выводу которого подключен разомкнутый четвертьволновый шлейф (рисунок 3.8).

Короткозамкнутый шлейф 1 выполняет две функции: замыкание на корпус токов промежуточной частоты и выпрямленного тока вывода диода ближайшего к СВЧ входу; компенсация реактивной составляющей полной проводимости на входе отрезка . Указанные функции могут быть разделены: для замыкания токов промежуточной частоты и выпрямленного тока может быть использован высокоомный ( Ом) короткозамкнутый четвертьволновый шлейф, входное сопротивление которого достаточно велико в широкой полосе частот и не оказывает заметного влияния на импеданс линии, к которой он подключен, а согласование обеспечивается разомкнутым шлейфом. В сечении включения шлейфов активная составляющая полной проводимости линии с диодом (при отсутствии шлейфа) равна волновой, т.е., где . Длину согласующего шлейфа выбирают такой, чтобы его входная реактивная проводимость была бы равна и противоположна по знаку входной реактивности отрезка В, т.е. .

Рисунок 3.8. Смесительная секция узкополосного смесителя: 1 - короткозамкнутый шлейф; 2 - диод; 3 - разомкнутый четвертьволновый шлейф.

Для нахождения В необходимо знать полную проводимость диода . По известной , пользуясь круговой диаграммой полных проводимостей Вольперта-Смитта, находят необходимое расстояние и реактивность В.

Далее из соотношений для реактивной проводимости короткозамкнутого и разомкнутого шлейфов:

(3.20)

вычисляют необходимую длину , используя .

Входная проводимость смесителя по высокой частоте является сложной функцией конструктивных параметров смесительного диода. Типовое значение активного входного сопротивления 50-100 Ом.

Пример 3.2. Рассчитать элементы согласования смесительной секции на частоте ГГц, если смесительный диод имеет активную составляющую входного сопротивления R = 83,3 Ом, емкость = 0,15 пФ; подводящая линия, имеющая волновое сопротивление 75 Ом, исполнена на ФАФ-4.

Находим реактивную проводимость смесительного диода

См.

Находим нормированную входную проводимость смесительного диода

.

Наносим нормированную входную проводимость диода на круговую диаграмму (точка 1 рисунок 3.9) [17]. Поскольку в линии без потерь амплитуда отраженной волны одинакова в любом ее сечении, то все сопротивления, которые может иметь линия при заданном сопротивлении нагрузки, должны лежать на круге, проведенном из центра диаграммы через точку 1 (штриховая линия на рисунках 3.9, 3.10). Как видно из рисунка, этот круг в точках 2 и 3 пересекает окружность, где . Каждой из этих точек соответствует определенное расстояние от нагрузки: и . На расстоянии входная проводимость линии положительна и равна (+ j0,03). Поэтому в это сечение вводится отрицательная проводимость (- j0,03) (параллельная индуктивность), а на расстоянии (точка 3) входная проводимость линии отрицательна и равна (- j0,03). Поэтому в это сечение вводится уже положительная проводимость (+ j0,03) (параллельная емкость).

Рис. 3.9. Круговая диаграмма полных сопротивлений.

Рис. 3.10. Алгоритм согласования по круговой

диаграмме.

Найдем длину волны в линии передачи и определим расстояние от нагрузки до сечения, куда включим параллельную индуктивность. Для предложенной линии . Из диаграммы = 0,127 или мм.

Выбираем параллельную индуктивность в виде короткозамкнутого шлейфа с волновым сопротивлением , и, используя (3.20), найдем его длину:

мм.

На рисунке 3.11 показан вариант смесительной секции, в которой применен кольцевой полосно-заграждающий фильтр, а согласование обеспечивается четвертьволновым трансформатором.

Рис. 3.11. Смесительная секция с согласующим четвертьволновым трансформатором: 1 - бескорпусной смесительный диод; 2 - четвертьволновый согласующий трансформатор; 3 - высокоомный короткозамкнутый четвертьволновый шлейф для замыкания входного вывода диода на корпус для тока ПЧ и постоянного тока, ; 4 - низкоомный разомкнутый четвертьволновый шлейф; 5 - режекторный фильтр СВЧ в цепи ПЧ.

При согласовании четвертьволновым трансформатором его расположение относительно диода рассчитывают с помощью круговой диаграммы на основе известного импеданса диода.

Допустим, нормированная проводимость диода (точка 4 на рисунке 3.9). Алгоритм согласования показан на рисунке 3.12 [17]. Согласование возможно либо в точке 1, расположенной на расстоянии от нагрузки (диода), либо в точке 2, расположенной на расстоянии от нагрузки.

Рис. 3.12. Алгоритм согласования с помощью четвертьволнового трансформатора.

Под подразумевается длина волны в линии, обра-зующей четвертьволновый трансформатор. В соответст­вии с рисунком 3.9 минимальное расстояние от диода до четвертьволнового трансфор­матора .

Требуемое значение волно­вого сопротивления , трансформирующего чет­вертьволнового отрезка, опре­деляется по формуле , где - волновое сопротивление подводящей линии, R - активная составляющая сопротивления диода.

В балансных смесителях смесительные секции могут быть объединены общим фильтром нижних частот (рисунок 3.13) [13].

В схемах балансных смесителей применяют подобранные пары разнополярных диодов с малым разбросом параметров в паре. Это необходимо для получения коэффициента подавления шумов гетеродина больше 20 дБ. В представленном балансном смесителе (рисунок 3.13) применено разнополярное включение диодов в смесительных секциях. Это приводит к тому, что шум гетеродина оказывается подавленным непосредственно на общем выводе диодов по промежуточной частоте, что позволяет использовать входную цепь УПЧ без противофазного трансформатора, что очень важно при широкой полосе пропускания УПЧ.

Рис. 3.13. Топология микрополоскового балансного смесителя.

В балансных смесителях используют как квадратурные СВЧ мосты (шлейфные, щелевые), так и синфазно-противофазным (кольцевые, Т-мосты). Первые позволяют создавать весьма компактные топологические схемы и конструкции. Однако без принятия специальных мер развязка между входными плечами балансного смесителя получается меньше, чем с синфазно-противофазными мостами. Этот недостаток балансных смесителей с квадратурными мостами можно исключить, если одну из смесительных секций подключить с относительным сдвигом по фазе на 90, т.е. с использованием дополнительного соединительного отрезка длиной .

Для согласования диодов в балансном смесителе рисунка 3.13 может быть применен удобный для практики несинхронный трансформатор, состоящий из двух секций (рисунок 3.14) [14]. Волновые сопротивления секций и равны сопротивлениям сочленяемых линий. Длина такого трансформатора менее , а его амплитудная частотная характеристика такая же, как и у односекционного четвертьволнового трансформатора. Длина каждой секции l для осуществеления согласования при должна выбираться равной

.

(3.21)

Рис. 3.14. Несинхронный согласующий трансформатор.

Использование такого трансформатора позволяет согласовать, например, 50-омную линию с 75-омной, обходясь только отрезками этих же линий без отрезков с промежуточным значением сопротивления Ом.

В практике создания малошумящих смесителей находят широкое применение двойные балансные смесители, позволяющие осуществить фазовое подавление приема по зеркальному каналу и восстановление энергии колебаний зеркальной частоты на промежуточной частоте. Малые габариты таких смесителей обеспечиваются применением комбинаций МПЛ, щелевых и копланарных линий (рисунок 3.15) [18].

Рис. 3.15. Двойной балансный смеситель на комбинации линий.

На рисунке представлен общий вид двойного балансного смесителя с размерами элементов: мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм, мм. 1 - вход от местного гетеродина, 2 - переходная щелевая линия, 3 - выход ПЧ на копланарную линию, 6 - входной сигнал, 11 - связанные щелевые линии, 12 - двойной Т-мост (180 гибридная цепь), 13 - проволочки из золота.

Сплошными линиями показаны микрополосковые элементы, выполненные фотолитографией на одной стороне подложки, пунктирными - щелевые линии, связанные щелевые линии и копланарные линии, нанесенные на обратную сторону подложки. Щелевые и копланарные линии соединены двумя золотыми проводниками диаметром 50 мкм. В оригинале использовалась подложка из поликора толщиной 0,3 мм.

Колебания гетеродина со входа 1 через переход 2 с МПЛ на ЩЛ, которая далее свернута в петлю, возбуждают пары смесительных диодов противофазно так, что образно говоря, в один из полупериодов открыты диоды VD1 и VD3, в другой - VD2 и VD4, подключая копланарный вывод 3 ПЧ через VD1, VD3 к точкам 4 и через диоды VD2, VD4 к точкам 5 соответственно.

Колебания сигнала со входов через переход 7 с МПЛ на копланарную линию 8, переходящую в две ЩЛ 9 и 10, возбуждают их в точках 4 и 5 синфазно, благодаря чему колебания ПЧ складываются на выходе 3 копланарной линии. Принятые по зеркальному каналу помехи и шумы оказываются противофазными и подавляются без применения специальных фильтров зеркальной частоты. Вторая гармоника гетеродина и ее комбинационные продукты также оказываются подавленными. За счет симметрии схемы обеспечивается высокая (до 30 дБ) развязка входов двойного балансного смесителя. В целях согласования перехода 7 до перехода 2 длина петли ЩЛ должна составлять целое число полуволн. Такие смесители имеют перспективу применения до частот в 30 ГГц.