5. СМЕСИТЕЛИ НА КОМБИНАЦИЯХ ЛИНИЙ ПЕРЕДАЧ

В последнее время для построения схем смесителей используют комбинации различных микроэлектронных линий передач. В таких смесителях за счет различной поляризации силовых линий -поля на стыке щелевой и копланарной линий можно значительно увеличить развязку между сигнальным и гетеродинным входами в смесителе. Топология схемы смесителя на комбинациях микрополосковой, щелевой и копланарной линий передач изображена на рис. 4.12. Переход 1 связывает входную МПЛ с щелевой, в которую с помощью трансформатора 2 последовательно включены смесительные диоды. С другой стороны, эти диоды включены параллельно в копланарную линию 4, которая связана переходом 5 с воздушной линией (выход промежуточной частоты) и МПЛ (вход гетеродина). Шлейфы 3 и 6 являются заграждающим фильтром для идущего от входа Б сигнала СВЧ, а также участвуют в согласовании диодов. На рис. 4.13

показана структурная схема для расчета смесителя на комбинациях линий передач. Многополюсники 1 и 2 отображают диоды. Согласующий фильтр-трансформатор между диодами и щелевой линией отображается многополюсником

3, параметры которого определяются на основной частоте , и многополюсником 6 с параметрами, определяемыми на зеркальной частоте. Щелевая линия отображается многополюсником 4 на основной частоте и многополюсником 7 на зеркальной частоте. Переход с МПЛ на щелевую отображается многополюсником 5 на основной частоте и многополюсником 8 на зеркальной. Отрезок копланарной линии отображается многополюсником 9 на промежуточной частоте. Согласующий трансформатор с копланарной линии на микрополосковую отображается многополюсником 10 на промежуточной частоте. Переход с МПЛ на воздушную отображается многополюсником 11 на промежуточной частоте. При" построении смесителей с высокой промежуточной частотой для разделения частот в смесителе используют диплексер. Многополюсник И в расчете заменяется многополюсником, отображающим диплексер (см. гл. 3). Многополюсники 3—11 удобно описать в параметрах матриц передачи Для линий передач (без учета потерь) матрица имеет вид

где — геометрическая длина; Л — длина волны в линии, соответствующая частоте .

Матрица для перехода с МПЛ с волновым сопротивлением на щелевую приведена в гл. 3:

Рис. 4.12. Топология схемы смесителя на комбинациях линий передач:

С — конденсаторы; «островок» для подачн смещения на дноды; — индуктивность; А — вход гетеродина; Б — вход сигнала; выход ПЧ

Рис. 4.13. Структурная схема для расчета смесителя:

X — узлы эквивалентных многополюсников — узлы элементарных многополюсников

— волновые сопротивления МПЛ и ЩЛ линий соответственно; — геометрические длины микрополоскового и щелевого шлейфов; — емкость конца микрополоскового шлейфа [154]; — эквивалентная индуктивность щелевого шлейфа, нормированное реактивное сопротивление которого определяется из работы [32]; — толщина диэлектрической подложки; — длина волны в ЩЛ и МПЛ; — длина волны в свободном пространстве.

Рис. 4.14. Эквивалентная схема согласующего трансформатора между щелевой линией и диодами в смесителе

Для определения матрицы согласующего трансформатора между щелевой линией и диодами с учетом щелевых шлейфов и копланарной линии представим этот узел в виде эквивалентной схемы рис. 4.14, где — волновое сопротивление и длина щелевой линии, подходящей к диодам со стороны перехода микрополосковая линия — щель; волновое сопротивление и длина последовательного шлейфа из щелевой линии, который включен перед диодами; Для Двух щелевых линий, которые вместе составляют копланарную линию; — волновое сопротивление и длина для последовательной щелевой линии после копланарной. Матрица для такого соединения без учета диодов имеет вид

где

— входное сопротивление двух последовательных диодов; — волновое сопротивление подводящей

линии; длины волн в соответствующих индексам линиях передачи.

Рис. 4.15. (см. скан) Топология комбинации линий для ДБС (а) и топология ДБС (б); 1, 4, 5 — мнкрололосковые линии; 2, 3, 6 — щелевые линии (сплошными линиями обозначены щелевые и копланарные линии на подложке, штриховыми — полосковые линии на обратной стороне подложки)

Согласующие трансформаторы с копланарной линии на микрополосковую и с микрополосковой на воздушную линию для низких промежуточных частот рассматриваем как конструктивные шунтирующие емкости. Воспользовавшись свойствами матрицы получим матрицы эквивалентных четырехполюсников:

[-После этого матрицы преобразуют в матрицы проводимости и расчет выполняют структурной схеме на рис. 4.13. В расчете используют модель диода (рис. 4.7, в), в которой учитывают три частоты (основную, зеркальную и промежуточную). Волновые сопротивления линий и длину волны в них определяем, как указано в гл. 1.

С помощью схемы рис. 4.13 получаем матрицу проводимости 12-го порядка, которую используем для определения параметров смесителя (см. стр. 96, 97).

Таким образом, получены матрицы элементов согласования смесителя и матрицы проводимости всего устройства. Матрицу -порядка смесителя можно свернуть до матрицы эквивалентного четырехполюсника, с помощью которой рассчитывают характеристики смесителя.

Рис. 4.16. Топология микроэлектронного Т-моста

Если необходимо реализовать ДБС, то применяют комбинацию линий (рис. 4.15, а) [152]. Если диоды включены в плечи 2—5, то сигнал, поступающий через плечо 1, поделится поровну и синфазно, а сигнал, поступающий через плечо 6, поделится поровну, но будет поступать в плечи 3, 4 синфазно, а в плечи 2,5 — со сдвигом фазы на 180°.

Конструкция ДБС с использованием комбинаций микрополосковых, щелевых и связанных щелевых линий показана на рис. 4.15, б. Смеситель состоит из микроэлектронного Т-моста и двух БС на диодах Шоттки. На выходе такого смесителя присутствуют только комбинации где — нечетное целое число. Работа ДБС в диапазоне 20 ГГц рассмотрена в работе [145]. Согласование диодов с выходом Т-моста осуществляется в щелевых линиях.

Микроэлектронный Т-мост (рис. 4.16) представляет собой петлю из щелевых линий 9, причем длина от сечения 6 до сечения 5 имеет нечетное число (в данном примере 3) четвертей длин волн в линии.

Петля соединена в сечении 6 с копланарной линией, имеющей длину до сечения 7, равную четверти длины волны в линиии. В сечении 7 копланарная линия расходится на две щелевые, которые заканчиваются выходами 3 и 4. Мост работает следующим образом [136, 145]. Напряжение сигнала со входа 1 при помощи микрополосково-щелевого перехода 5 попадает на щелевую линию 9, затем идет через четвертьволновый отрезок 8 к выходам 3 и 4, на которые падает в одинаковой фазе. Напряжение гетеродина с входа 2 при помощи микрополосково-копланарного перехода 6 попадает в копланарную линию 8, по которой распространяется до сечения 7. В этом сечении копланарная линия расходится на две щелевые, вектора электрического поля в которых противофазны друг другу, что обеспечивается структурой поля в копланарной линии. Петля из щелевых линий трансформируется в сечение 6 в виде короткозамыкателя копланарной линии, так как электрическое поле выходит из копланарной линии в первую и вторую щелевые линии 9 в противоположных

фазах (из-за структуры поля в копланарной линии). Таким образом, мощность гетеродина не ответвляется во вход 1. Мощность сигнала также не ответвляется во вход 2, так как переход 6 не работает для мощности сигнала, идущей от входа 1, из-за того, что идущая из петли волна имеет такую поляризацию поля, что не создает в копланарной инии поля, возбуждающего микрополосковый резонатор перехода 6.

Рис. 4.17. Эквивалентная схема диодной цепи (а) в схема протекания токов в диодной цепи (б)

Рассмотрим работу смесителя (рис. 4.17). Щелевые линии имеющие длину служат закорачивающими шлейфами для сигнальной и гетеродинной частот. Токи в каналах сигнала гетеродина выражаются следующими формулами:

где параметр диода; — амплитуда напряжения сигнала; — амплитуда напряжения гетеродина; — круговая частота сигнала; — круговая частота гетеродина; Б — модифицированная функция Бесселя первого рода порядка.

Из приведенных выше формул видно, что в канале ПЧ имеются следующие продукты преобразования смесителей: полезная суммарная частота и гармоники

и нечетное). Зеркальная частота появляется в канале сигнала и ее нет в канале ПЧ и гетеродина. Фильтры заграждения для суммарной частоты в канале ПЧ в виде шлейфов длиной для сигнальной частоты или для суммарной показаны на рис. 4.15, б. На выходе установлен пятисекционный фильтр нижних частот. Формулы (4.22)-(4.24) получены следующим образом [124, 151]. Токи в диодах ДБС

показаны на рис. 4.17, б. Для простоты диоды представлены в виде чистой нелинейной проводимости. Проводимости диода как функции времени

Напряжение сигнала также приложено к диодам

С учетом того, что , токи каждого смесителя примут вид:

Общий ток на выходе ПЧ

По направлению к Т-мосту протекают токи

При выводе формул (4. 25) и (4. 26) учитывалось равенство

Эти токи, попадая в канал входов сигнала и гетеродина, описываются выражениями

Таким образом, на входе сигнала присутствуют гармоники (где -четное) и частота а на входе гетеродина — частота гетеродина и ее нечетные гармоники.