Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 6.3. Широкополосные модуляторы1. Общие соображения.В настоящее время можно выделить два направления развития систем связи и измерительной техники: все более широкое применение цифровых методов обработки сигналов в СВЧ диапазоне и увеличение широкополосности при использовании традиционных аналоговых методов обработки сигналов. При реализации этих направлений возникла проблема создания широкополосных балансных модуляторов (БМ) [357]. Весьма перспективными являются БМ, выполненные на основе «магических» Т-соединений и сложностью установки полупроводниковых диодов, являются серьезным ограничением их применимости. Методике расчета модулятора посвящено достаточно много работ [355—358]. Однако частотные характеристики СВЧ модуляторов на практике зачастую имеют неудовлетворительные параметры. В частности, не обеспечивается достаточное подавление несущей и одной из боковых частот в октавной полосе. Это связано, с одной стороны, с частотным ограничением требуемых фазовых характеристик, применяемых гибридных мостовых устройств, а с другой стороны — нетехнологичностью изготовления. Большие возможности для проектирования балансных модуляторов открываются при использовании гибридных устройств, построенных на ОИС СВЧ
Рис. 6.7. Балансный модулятор 2. Балансный модулятор.Он состоит из подложки и платы подмодулятора, поэтажно расположенных в общем корпусе. Такая компоновка не только позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели устройства, но и обеспечивает минимальную длину соединительной На подложке БМ, эскиз которого приведен на рис. 6.7, выполнены кольцевые мосты и шлейфный переход СЩЛ НПЛ. В КМ непосредственно в СЩЛ кольца включены два диода на расстояниях Таким образом, в БМ вход несущей I и выход промодулированного сигнала III выполнены на НПЛ, что обеспечивает подключение унифицированных переходов. Плечи I и III взаимозаменяемы, т. е. возможна подача несущей в плечо III, а съем выходного сигнала с плеча Особенностью описанного БМ является отсутствие фильтров в цепи модулирующего сигнала. Развязка между плечами I и II обусловлена экспоненциальным затуханием поля в ЩЛ в поперечном паправлении. Экспериментально измеренная (на частоте несущей) развязка между плечами I и II составила более а между плечами II и III — более 40 дБ. Цепь подачи модулирующего сигнала достаточно широкополосна; так, потери от входа II до точки включения диода, измеренные на частотах до 0,8 ГГц, составили менее 1,7 дБ. Заметим, что при повышении несущей частоты широкополосность цепи подачи модулирующего сигнала увеличивается, так как уменьшаются линейные размеры, а следовательно, и величины паразитных элементов цепи.
Рис. 6.8. Частотные характеристики балансного модулятора: а) прямых потерь Для экспериментальных исследований четверки диодов Шоттки предварительно отбирались по следующим параметрам: разброс емкостей диодов, измеренных на частоте
Рис. 6.9. Зависимость входной мощности Исследования модуляторов проводились в сантиметровом диапазоне. Статические характеристики В октавной полосе частот начальные потери БМ составляют Динамические частотные характеристики этого БМ приведены на рис. 6.8, б. Видно, что в октавной полосе частот подавление несущей частоты на выходе
Рис. 6.10. Эквивалентная схема однополосного модулятора. Векторами показаны фазовые соотношения сигналов, а цифрами в кружках — соответствие их балансным модуляторам Большой интерес представляет исследование линейности амплитудной характеристики БМ (рис. 6.9). Из графика видно, что нелинейный характер кривой начинается при мощности несущей частоты свыше 3. Однополосный модулятор.Эквивалентная схема однополосного БМ (рис. 6.10) состоит из двух балансных модуляторов Рассмотрим работу однополосного БМ, полагая при этом Модулятор работает следующим образом. На вход I поступает сигнал несущей частоты входах I и II условно примем за нулевые. Сигнал несущей частоты через ДМ с равными амплитудами и фазами поступает на входы
где На векторной диаграмме (рис. 6.10) видно, что в выходном плече Границы широкополосности однополосного БМ определяются возможностью обеспечения заданных амплитудных и фазовых соотношений между сигналами. Проведенный анализ влияния разбалансировки (отклонение амплитудных и фазовых соотношений от идеальных) на характеристики модулятора показал, что требования к величине разбалансировки совпадают с аналогичными требованиями для смесителей с фазовым подавлением зеркального канала [361]. Так, например, для подавления одной боковой частоты относительно другой на выходе однополосного БМ на 15 дБ при отсутствии амплитудной разбалансировки необходимо обеспечить минимальную фазовую разбалансировку не хуже 20,2°. Соответствующий изложенным требованиям модулятор выполняется на структуре: металл — диэлектрик — металл — диэлектрик — металл (рис. 6.11). Слои металла являются тонкопленочными проводниками ЛП. Сплошными линиями показаны токонесущие проводники, расположенные в среднем слое, а штрихпунктирными и штриховыми — в крайних слоях. Для наглядности представления структуры послойного расположения ЛП на рис. 6.11 приведено несколько поперечных сечений модулятора. Входным устройством модулятора является диэлектрика, соединены со входами кольцевых мостов четвертьволновыми разомкнутыми отрезками НПЛ. Мосты выполнены на СЩЛ свернутой в кольцо периметра
Рис. 6.11. Топология однополосного модулятора на двухслойном диэлектрике. Слева и справа показапы поперечные сечеппя конструкции; сплошные кривые соответствуют СЩЛ, а штриховые и штрихпунктирные — НПЛ, расцоложенным на внешних сторонах слоев диэлектрика Сумматор мощности Следует отметить, что рассмотренная конструкция балансного модулятора отличается высокой технологичностью, так как все его элементы (за исключением полупроводниковых диодов) выполнены в пленочном исполнении и не требуют дополнительных монтажных работ. Несколько слов о принципе действия однополосного модулятора. На вход разделаются в выходных плечах модулятора: одна боковая частота в НПЛ, а другая — СЩЛ. При необходимости использования только одной боковой частоты одно из выходных плеч модулятора нагружается на согласованную нагрузку. На практике удобно включать согласованную нагрузку в СЩЛ, а НПЛ использовать как выходное плечо модулятора. На выходе НПЛ боковую частоту можно менять путем изменения фазы модулирующего сигнала на входах В том случае, если требуется вывести одновременно обе боковые частоты на две НПЛ, то входом модулятора может быть НПЛ СМ, а выходами — плечи НО (на рис. 6.11 этот случай показан контурными стрелками). Описанный выше модулятор исследовался в длинноволновой части сантиметрового диапазона. Макет был выполнен на диэлектрических подложках из материала
Рис. 6.12. Частотные характеристики потерь преобразования а Разброс емкости диодов в четверке, измеренной на частоте Из рис. 6.12 видно, что в октавной полосе частот потери преобразования в нижнюю боковую частоту лежат в пределах от 8 до При изменении на входах верхнюю боковую частоту с параметрами потерь преобразования, подавления несущей и нижней боковой частоты, практически совпадающими с частотными характеристиками, представленными на рис. 6.12. При использовании однополосного БМ в узком частотном диапазоне возможно некоторое уменьшение потерь преобразования путем включения на незадействованный выход реактивной нагрузки, подобно смесителям с отражением зеркальной частоты [362]. При этом, теоретически, потери преобразования должны уменьшиться на
Рис. 6.13. Топология однополосного модулятора на однослойном диэлектрике Можно значительно увеличить полосу рабочих частот Таким образом, предложенный подход к проектированию СВЧ Модуляторов на ОИС дает возможность в октавной полосе частот получать высокие электрические характеристики, а технологичность изготовлеиия упрощает реализацию и делает возможным его применение вплоть до миллиметрового диапазона. 4. Однополосный модулятор с повышенными динамическими характеристиками.Рассмотрим однополосный модулятор, состоящий из двух двойных БМ. Повышение динамических характеристик до стигается увеличением числа диодов с барьером Шоттки (две четверки). Одпополосный модулятор представляет собой объемный модуль со следующей структурой слоев: металл 1, диэлектрик проводники СПЛ диэлектрик проводники
Рис. 6.14. Объемный модуль однополосного модулятора (а); частотные характеристики потерь преобразования (б); зависимость выходных мощностей от входного спектра Внутренние металлизации колец, расположенных симметрично друг под другом, гальванически связаны металлическими перемычками через толщу слоев диэлектрика. Эти перемычки выполняют несколько функций: выравнивают потенциалы внутренних металлиэаций кольца; усиливают механическое соединение слоев структуры; подавляют паразитные типы волн, возникающие на неоднородностях СПЛ. Расположение перемычек в общем случае произвольное, но с увеличением частоты желательно ее расположить вблизи включения четверок диодов 8, 9. Между слоями диэлектрика расположены токонесущие проводники В области соединения колец отрезками СЩЛ включены пара 8 и 9 четверок диодов. Диоды в каждой четверке электрически соединены по «кольцевой» схеме. Отличительной особенностью конструкции является возможность компактного выполнения переходов СПЛ СЩЛ и пятисекционного направленного ответвителя в области включения диодов. Это достигается благодаря большому различию укорочения длины волны в СПЛ относительно СЩЛ, Для исключения влияния внешних воздействий и уменьшения потерь, связанных с излучением во внешнее пространство, объемный модулятор выполняется в герметическом корпусе. На боковых сторонах корпуса расположены вход основного сигнала и выход промодулированного сигнала, а в основании — входы модулирующего сигнала. Входы и выход модулятора выполнены на герметичных коаксиально-полосковых переходах. При внимательном рассмотрении конструкции видно, что СЩЛ колец, расположенных с зеркальной симметрией друг под другом на внешних слоях металлизации, с парами диодов образуют двойной БМ. Однополосный же модулятор, состоящий из двух двойных БМТ имеет наглядную эквивалентную схему, в которой отрезки СЩЛ и переходы СЩЛ СПЛ представлены в виде идеальных синфазных и противофазных трансформаторов. В основе работы модулятора используется принцип амплитудной балансной модуляции, обеспечивающей подавление несущей частоты, и квадратурной модуляции для подавления одной боковой частоты. Сигнал несущей частоты противофазно. Используемый на выходе переход СПЛ СЩЛ возбуждается только синфазными колебаниями, а противофазные колебания в нем переотражаются в ДБМ и участвуют в дальнейшем процессе преобразования несущей частоты. Модулятор, реализующий данный принцип преобразования частоты, является нелинейным, поэтому выходной спектр содержит не только нужную боковую частоту, но и боковые частоты высших порядков. Как правило, подавление несущей и четных боковых частот обеспечивается ДБМ на уровне свыше 20 дБ. Наибольший интерес представляют боковые частоты третьего порядка Рассмотренный однополосный модулятор можно использовать в качестве широкополосного четырехфазного манипулятора с дискретом Расчет топологии одпополосного модулятора проводился путем расчленения его на отдельные узлы. В основе расчета применялись методы теории цепей для анализа узла в целом с привлечением электродинамических методов анализа регулярных отрезков СПЛ и НЩЛ [1]. При этом использовались результаты расчета волновых матриц рассеяния направленного ответвителя, кольцевого моста на СЩЛ и переходов Диэлектрические слои в объемной структуре модулятора выполнены следующим образом: крайние слои из материала В модуляторе использованы четверки диодов с барьером Шоттки, предварительно отобранные по следующим параметрам: разброс емкостей диодов, измеренных на частоте Экспериментальные исследования характеристик однополосного модулятора проводились при частоте синусоидального модулирующего сигнала
Таблица 6.1 (см. скан) Большой интерес представляют зависимости входной мощности несущего сигнала от выходной мощности промодулированного сигнала с точки зрения оценки k. Для исследования модулятора в режиме четырехфаэного манипулятора на входы Частотные характеристики разности фаз и амплитуд относительно пулевой фазы выходного сигнала для различных состояний манипулятора приведены на круговой диаграмме (рис. 6.15,б). В полосе частот соответствующем изменении амплитуд Оценка быстродействия фазового манипулятора была проведена на ДБМ. Осциллограмма двухполярного управляющего импульса с длительностью переднего фронта
Рис. 6.15. Характеристика четырехфазного манипулятора: а) сигнал на входе; 6) промодулйрованный сигнал на выходе модулятора; в) зависимость изменения дискрета фазы сигнала на круговой диаграмме проводимости Полученные экспериментальные результаты подтверждают возможности использования рассмотренного объемного модуля в аналоговом режиме однополосного модулятора и в дискретном режиме четырехфазного манипулятора. Коротко оценивая результаты проведенных экспериментальных исследований однополосного модулятора, можно сказать, что созданные к настоящему времени принципы проектирования ОИС СВЧ позволяют реализовывать многофункциональные, широкополосные, компактные и технологичные цифровые устройства. Полученные полосы рабочих частот свыше октавы позволяют унифицировать модулятор и фазовый манипулятор. Приведенные исследования нелинейных режимов работы модулятора показывают возможности повышения энергетических и динамических характеристик. Конструктивная и технологическая простота изготовления модулятора на ОИС, отсутствие навесных перемычек и малые габариты резко снижают стоимость модуля в целом и открывают пути его использования в коротковолновой части СВЧ диапазона.
|
1 |
Оглавление
|