§ 6.3. Гибридно-интегральные свч-модули

В настоящее время СВЧ-моду. реализуются в основном по гибридн интегральной технологии с примеь нием корпусных и бескорпусных а тивных элементов. Следует отметит что развитие интегральной схемоте ники СВЧ позволяет уже сейчас в поднять отдельные узлы модулей ; циметрового и сантиметрового диаг зонов волн (фазовращатели, перекл чатели прием — передача, усилите и т. д.) на отдельных кристаллах размерами 8—16 мм². Модуль в i лом состоит из небольшого количе< ва этих кристаллов, расположенш на общей диэлектрической подлож и соединенных между собой отрез * ми микрополосковых линий.

Рассмотрим некоторые практи¹ ские схемно-конструктивные решен СВЧ-модулей. На рис. 6.9, а приве; на упрощенная конструкция npeo6f зовательного СВЧ-модуля, в котор

реализованы такие функции, как частотная селекция, генерирование колебаний, преобразование частоты. Конструктивно модуль представляет собой отрезок короткозамкнутого на одном конце волновода, вдоль продольной оси которого размещена металлическая пластина. В металлической пластине имеется резонансная щель П-образной формы, в центре которой установлен гетеродинный диод Д₁ (например, диод Ганна), а на расстоянии V₄ длины щели симметрично относительно диода Д₁ включены два смесительных диода Л ₂ и Д₃. Длину резонансной щели /„, выбирают из соотношений: 2л/_щ уД — (Х_гАкр)² = 1_Г; я/_щ V\ — (Х_с /Х_кр)² = к_с, где Я _г, Х._с и Х_кр — длина волны колебания гетеродина, сигнала и критическая длина волны резонансной щели соответственно. При таком выборе длины в ней возбуждается электромагнитное поле с типами колебаний Я₁₀₁ и #₁₀₂, резонансные частоты которых равны частоте колебания гетеродина и входного сигнала соответст-

венно. Соотношение между резонансными частотами типов колебаний Я₁₀1 и Н₁₀₂ зависит от ширины волновода и длины резонансного отверсия и может изменяться в пределах 1,1—1,4. Структура электрической составляющей полей Н_ип и Я₁₀₂ в резонансной щели показана на рис. 6.9, б. Диоды Д_х — Д₃ не показаны. Как видно, векторы напряженности электрических полей сигнала и гетеродина в месте расположения диода Д₂ направлены в одну сторону, а в месте расположения диода Д_я — в противоположные стороны, следовательно, смеситель является балансным. Вывод сигнала промежуточной частоты осуществляется через фильтр нижних частот, элементы С_и С₂, L которого располагаются непосредственно на металлической пластине.

Технология изготовления модуля достаточно проста, он обладает высокой чувствительностью (коэффициент шума в двухсантиметровом диапазоне ~ 4 дБ) и имеет низкий уровень обратного излучения гетеродина (~ Ю^-9 Вт).

Функционально более сложен преобразовательный СВЧ-модуль, в котором гетеродин выполнен по схеме перестраиваемого автогенератора на транзисторе с удвоением частоты, а смеситель — по балансной схеме на диодах с барьером Шотки. Принципиальная схема гетеродина приведена на рис. 6.10. Варикап Д и шлейф /₂ образуют контур, задающий частоту генерации. Дроссели Др_х — Др₃, шлейфы /,, /₃, 1₄ и конденсаторы С, -C_s являются развязывающими цепями и предотвращают попадани

СВЧ-колебаний в цепи питания и смещения. Трансформатор Тр экспоненциального типа введен для создания оптимальной связи контура гетеродина с нагрузкой в полосе перестройки. Конструктивно гетеродин выполнен на микрополосковой плате, которая размещена на верхней широкой стенке отрезка прямоугольного волновода и связана с волноводом с помощью емкостного штыря. Отрезок волновода для первой гармоники колебаний гетеродина является запредельным и, следовательно, не пропускает ее на выход (на практике подавление не менее 50 дБ). Смеситель также выполнен на микрополосковой плате, размещенной на верхней широкой стенке отрезка волновода. Мощность гетеродина (вторая гармоника его колебаний) подается на микрополоско-вую плату смесителя также через емкостной штырь. Таким образом, отрезок волновода выполняет здесь функции фильтра верхних частот и конструктивно является основанием для микрополосковых плат гетеродина и смесителя. В трехсантиметровом диапазоне модуль имеет следующие показатели: полоса электронной перестройки при использовании варикапа АА611Б 10 %, выходная мощность гетеродина 8—12 мВт (на транзисторе 2Т642А-2), коэффициент шума не бо-

лее 8 дБ (применены смесительн! диоды АА117А-6).

Приемный СВЧ-модуль, принц пиальная схема которого приведена i рис. 6.11, также перестраивается с п мощью варикапов, но в отличие от м дуля рис. 6. 10 имеет примерно на п рядок более широкий диапазон пер стройки. Модуль содержит дву каскадный резонансный усилитель i транзисторах Т,, Т₂, включенных i схеме ОБ, и смеситель с совмещеннь гетеродином на транзисторе Т_я.

Резонансные контуры усилителя гетеродина состоят из отрезков mhi рополосковых линий длиной / < Я/ емкостей варикапов, подстраиваемь емкостей С* да 1—2 пФ, а также ме> электродных емкостей соответствуй щих транзисторов. Для снижения з тухания контуров транзисторы и в; рикапы включаются в контуры ча. тично. Гетеродин выполнен по емю стной трехточечной схеме. Для умен шения влияния выходной емкост С_вых транзистора Т₃ на диапазс перестройки его коллектор подклн чен к контуру частично через конде: сатор С,; этому же способствует и н полное включение в контур гетерод) на конденсатора обратной связи ei костью С₂ = 1 Ч- 5 пФ. Выходнс контур смесителя настроен на пром< жуточную частоту, причем

Подбором емкости конденсатора С₃ достигается согласование выходного сопротивления смесителя с сопротивлением нагрузки: R_Bb,_{x см} да R_H/ri\ где п да (С,, -f С_г + С_вых. + С_Дз)1 /(С, + с, + С_вых + С_дз + С,), Сдз — емкость варикапа Д_я. Индуктивность L₂ в цепи эмиттера транзистора Т_я и конденсатор С₄ образуют последовательный контур, настроенный на промежуточную частоту, что повышает усиление смесителя, так как практически устраняется обратная связь в цепи эмиттера для тока промежуточной частоты.

Использование резонансной входной цепи в данном случае нецелесообразно из-за сравнительно низкой добротности варикапов (30—100), поэтому на входе модуля включен фильтр верхних частот С₅ — L₃ — — С_ь, частоту среза которого выбирают ниже минимальной частоты рабочего диапазона частот модуля. Сопряжение настроек контуров усилителя и гетеродина достигается подбором трех варикапов, длин отрезков микрополо-сковых линий и подстройкой конденсаторов С*. Перестройка по диапазону осуществляется встроенным потенциометром /?, —г R₂ — R₃. При использовании транзисторов 1Т376 и варикапов KB 109 Б модуль имеет в

рабочем диапазоне частот 450— 900 МГц коэффициент усиления 25—30 дБ, коэффициент шума 5—7 дБ и полосу пропускания 20—40 МГц.

Конструктивно модуль выполнен по тонкопленочной технологии на подложке из ситалла размером 24 хЗОмм. Для уменьшения связи между первым и вторым каскадами усилителя на подложке между ними размещен экран в виде отрезка микрополос-ковой линии, заземленного в середине и на концах.

Приемопередающий модуль АФАР, принципиальная схема которого приведена на рис. 6.12, отличается тем, что напряжение гетеродина используется как в приемной, так и в передающей частях модуля. В состав приемной части входит балансный смеситель на диодах Д„, Д.,, подключенных к выходным плечам трехдецибельного направленного ответвителя НО_и входные плечи которого соединены с узкополосными фильтрами Ф,, Ф₂, настроенными соответственно на частоты гетеродина и сигнала. Коротко-замкнутые шлейфы /₂ обеспечивают короткое замыкание для токов промежуточной частоты, а разомкнутые шлейфы /₃ — для токов с частотами сигнала и гетеродина. Мощность гетеродина подводится к диодам Д,, Д₂

через регулируемый диодный аттенюатор на двух последовательно соединенных диодах Д₃, Д₄ и гетеродинный переключатель на диодах Д₅ — Д₈. При этом в режиме приема диоды Д₅, Д„ закрыты, а диоды Д₇, Д₈ открыты управляющим напряжением Еу_Пр. Гетеродинный переключатель обеспечивает развязку не менее 25 дБ. Полезный сигнал подается на диоды Д_ь Д₂ через антенный переключатель (диоды Д₉ — Д,₄), причем в режиме приема диоды Д„, Д_п, Д₁₂ открыты, а диоды Д₁₀, Д,₃, Д_Д4 закрыты. Антенный переключатель обеспечивает развязку между приемной и передающей частями модуля не менее 35 дБ. Пары переключательных диодов Д₅ - Д_в, Д₇ - Д₈, Д₁₄ -— Д₁₂ и Д₁₃ — Д₁₄ включены параллельно в линии передачи на расстояниях к _г/4 и Я,_с/4 от соответствующих Т-разветвлений отрезков линий передачи. Поэтому небольшие сопротивления (единицы Ом) открытых диодов пересчитываются через четвертьволновые отрезки в сечения Т-разветвлений в большие сопротивления (единицы килоом), благодаря чему и реализуется развязка между приемной и передающей частями модуля.

Особенностью передающей части модуля является формирование мощного выходного сигнала с помощью напряжения гетеродина. При этом напряжение гетеродина через гетеродинный переключатель, узкополосный фильтр Ф₄ и направленный ответви-тель Н0₂ поступает на мощный смеситель сдвига, выполненный на ва-ракторных диодах Д_1У Д_и. На входной контур смесителя сдвига, образованный индуктивностью Lj и емкостями варакторов, подается мощный сигнал на частоте сдвига, равной номинальной промежуточной частоте. Выходной сигнал смесителя сдвига на частоте входного сигнала выделяется в • выходном контуре (шлейфы /₄, /₅, емкости варакторов) и через ответ-витель И0₂, узкополосный фильтр Ф_я, настроенный на частоту сигнала, и антенный переключатель поступает на излучатель.

Модуль выполнен по тонкопл ной технологии: отрезки линии дачи напылены на керамическую ложку (поликор, керамика 25 конденсаторы К10-17, перекл тельные и варакторные диоды i ются навесными компонентами.

В настоящее время в разра* радиоустройств СВЧ развиваете) вое направление — объемные и ральные микросхемы (ОИМС) < которые представляют собой со ние полупроводниковых прибор пассивными тонкопленочными ментами в многослойных структ> Число слоев достигает 5—7 и б* По существу, каждый слой О СВЧ можно рассматривать как ридную интегральную микрос СВЧ, при этом соединение между ( ми осуществляется с помощью га. нической, емкостной, индукти или электромагнитной связи. Ре; таты первых разработок подтвер ют, что масса и габаритные раз; приемных модулей на ОИМС СВЧ жаются на порядок и более.

В заключение приведем пр выполнения интегрального при* го СВЧ-модуля (рис. 6.13), npej наченного для приема телеви; ных программ в диапазоне ч; 11,7—12,5 ГГц непосредственж спутников на индивидуальные коллективные антенны. Как ы функциональная схема модуля i ветствует рис. 6.1, а. Двухкаска, МШУ, смеситель, гетеродин (без билизирующего резонатора) и т каскадный УПЧ выполнены в полупроводниковой интеграл микросхемы на одном кристалле сенида галлия, активные элем схемы представляют собой пол транзисторы с одним и двумя (для

сителя) затворами Шотки. Модуль в целом имеет высокое качество согласования по входу (КСВН= 1,25) и достаточно большое усиление (не менее 50 дБ). МШУ обеспечивает коэффициент усиления 10—12 дБ и коэффициент шума 4 дБ. Промежуточную частоту выбирают в диапазоне 80— —1300 МГц.

Требуемая нестабильность частоты гетеродина (зр 600 кГц) достигается путем стабилизации внешним высо-

кодобротным диэлектрическим резонатором (ДР). Подавление зеркального канала (не менее 80 дБ) обеспечивается внешним узкополосным фильтром, выполненным на волновод-ных или диэлектрических резонаторах. Модуль подсоединяется непосредственно к параболической антенне с диаметром зеркала 0,6 — 1,5 м и соединяется коаксиальным кабелем с входом стандартного телевизионного приемника.