ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ДИОДНОГО СМЕСИТЕЛЯ 7

Справа от диодов расположены нагруженные на холостой ход шлейфы, длина которых близка к четверти длины волны на частоте сигнала и гетеро-

Рис. 1.7

дина. Они шунтируют токи с этими частотами, не пропуская их на выход смесителя.

Направленный ответвитель с переходным ослаблением –3 дБ передает на диоды по половине мощности входного сигнала и гетеродина. Относительный фазовый сдвиг волн с частотами входного сигнала и гетеродина, поступающих на диоды с выходов ответвителя, составляет π2 .

Данная схема обеспечивает подавление шумов гетеродина на выходе смесителя при идентичности свойств смесительных диодов. При этом также достигается максимальная развязка между сигнальным и гетеродинным входами (в реальных смесителях из канала гетеродина в канал входного сигнала может попадать одна тысячная мощности гетеродина и менее).

Основными характеристиками смесителя являются: 1. Потери преобразования, дБ:

4.Полоса рабочих частот – частотный диапазон, в котором основные характеристики смесителя принимают значения не хуже заданных.

5.Изоляция. Определяется прониканием на выход смесителя входного сигнала и мощности гетеродина:

Iс =10 lg (Pс пч / Pс), Iг = 10 lg (Pг пч / Pг ).

Здесь Iс и Iг – изоляция по цепи входного сигнала и изоляция гетеродина соответственно; Pс пч и Pг пч – мощности входного сигнала и гетеродина на выходе смесителя (в тракте промежуточной частоты) соответственно.

6. Интермодуляция – величина входной мощности смесителя Pс , при которой выходная мощность полезного сигнала смесителя Pпч и суммарная мощность интермодуляционных составляющих на выходе смесителя Pи равны. Определяется по пересечению линейно экстраполированных зависимо-

стей Pпч = f (Pс ) и Pи = f (Pс ).

7. Компрессия – величина входной мощности Pс , при которой реальная амплитудная характеристика смесителя Pпч = f (Pс ) на 1 дБ отличается от идеальной (линейной).

Для того чтобы обеспечить требуемые количественные характеристики смесителя на заданной частоте, необходимо использовать соответствующие диоды.

Таким образом, задача проектирования смесителя может быть разбита на следующие этапы:

1.Выбор структуры и принципиальной схемы смесителя (в данном проекте – балансный смеситель на основе двухшлейфного направленного ответвителя в микрополосковом исполнении).

2.Аналитический расчет и трехмерное моделирование направленного ответвителя.

3.Разработка смесительного диода, обеспечивающего требуемые параметры смесителя.

4.Моделирование смесителя.

5.Разработка конструкции – печатной платы смесительного модуля. Выполнение работы предполагает использование широкого набора про-

граммных средств, а также – алгоритмов восходящего и нисходящего проектирования.

12

2. АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

2.1. Постановка задачи проектирования микроволнового диодного смесителя

Требуется спроектировать устройство, позволяющее осуществлять эффективное преобразование высокочастотных сигналов микроволнового диапазона с целью получения сигнала промежуточной частоты при потерях преобразования не хуже 10 – 12 дБ в полосе рабочих частот f (ГГц) и центральной частоте f0 (ГГц).

2.2. Порядок проектирования

Исходя из заданных параметров, необходимо выполнить следующие проектные процедуры:

1.Проектирование диода с заданными параметрами.

2.Создание эквивалентной схемы диода с учетом паразитных параметров корпуса.

3.Проектирование микрополоскового направленного ответвителя.

4.Проектирование фильтра нижних частот.

5.Проектирование смесителя.

6.Анализ смесителя.

Направленный ответвитель (рис. 2.1) используется как делитель мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансный смеситель с высокой развязкой между входными каналами.

Рис. 2.1

При использовании его в качестве делителя энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между

13

плечами 2 и 4, а при подаче мощности в плечо 2 энергия распределяется между плечами 1 и 3. В первом случае в плече 3, а во втором – в плече 4 ставится нагрузка (в нашем случае – диод).

При использовании ответвителя в качестве смесителя энергия подается в плечи 1 и 3, выходными плечами будут 2 и 4.

1.Выберите в меню Options Project Options (Опции Опции проекта) или дважды щелкните мышкой по Project Options в левом окне проекта. Откроется диалоговое окно Project Options.

2.В открывшемся окне активизируйте вкладку Global Units и задайте глобальные единицы измерения, как показано на рис. 2.2.

Рис. 2.2

14

Рис. 2.3

Поскольку в проекте предполагается наличие нескольких схем, в которых используется одна и та же подложка, поместите элемент подложки (Substrates) в глобальные определения, откуда он будет доступен для всех схем.

1.В окне просмотра проекта дважды щелкните по Global Definitions, откроется окно глобальных определений.

2.В левом окне откройте окно просмотра элементов, щелкнув мышкой по кнопке Elements в нижней части левого окна.

15

3. Щелкните мышкой по группе Substrates, чтобы отобразить список подложек как на рис. 2.4.

Рис. 2.4

4. Перетащите элемент MSUB в окно глобальных определений и щелкните мышкой, чтобы закрепить его (рис. 2.5).

Рис. 2.5

5. Дважды щелкните мышкой по элементу MSUB и в открывшемся окне свойств элемента (рис. 2.6) введите: Er=6, H=1.5 mm, T=0.035 mm, Tand=0.005 и ErNom=6.

16

Рис. 2.6

6. Нажмите OK.

Теперь создадим схему микрополоскового направленного ответвителя. Для этого реализуем следующую последовательность действий:

1. Щелкните мышкой по значку Add New Schematic на панели инструментов либо правой кнопкой мышки по Circuit Schematic, выберите в выпадающем меню пункт New Schematic

Рис. 2.7

и создайте схему с именем Coupler.

Рис. 2.8

17

2. В окне просмотра элементов раскройте группу Microstrip и щелкните мышкой по подгруппе Lines.

Рис. 2.9

3. Сформируйте микрополосковую схему, содержащую 4 элемента.

Рис. 2.10

Для этого перетащите в окно схемы элемент MLIN и щелкните мышкой, чтобы закрепить его. Повторите эту процедуру еще 3 раза. Для поворота элементов вокруг оси перед тем как нажать мышку (чтобы зафиксировать положение элемента) нужно несколько раз щелкнуть правой кнопкой (каждый щелчок – это поворот на 90° против часовой стрелки).

18

4. Щелкните мышкой по значку Port на панели инструментов или комбинацию клавиш Ctrl+P и подключите порт к плечу 1 элемента Coupler. Аналогично подключите порты к плечам 2, 3 и 4, (чтобы развернуть порты на 180º два раза щелкните правой клавишей мышки).

Рис. 2.11

Замените значения размеров микрополосковых линий, заданных по умолчанию, предварительно рассчитанными по упрощенной методике, полученными с помощью инструмента Tools TXLine

Рис. 2.12

19

Значения диэлектрической постоянной и тангенса угла потерь следует выбирать из табл. 1.

Таблица 1.

5. С помощью команды Draw Add Equation или комбинации клавиш Ctrl+E создайте прямоугольные текстовые окна, в которые (в каждое окно отдельно) введите

Рис. 2.13

Для горизонтальных микрополосковых линий TL1 и TL2 используйте WH и LH, а для вертикальных линий TL3 и TL4 – WV и LV (рис. 2.14).

20