Исследование и разработка диодных свч преобразователей частоты

На правах рукописи

Мирзаев Зайнудин Нурмагомедович ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИОДНЫХ СВЧ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Махачкала - 2013 2

Работа выполнена в Дагестанском государственном техническом универси тете

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Гусейнов Мурад Саидович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Мироненко Игорь Германович, заведующий кафедрой микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппара туры Санкт-Петербургского государственного электротехнического универ ситета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина).

Кандидат технических наук, Плескачев Владимир Владимирович, ведущий инженер отдела разработки СВЧ устройств ООО «Семикон», г. Санкт- Пе тербург.

Ведущая организация: ОАО «Концерн «Созвездие», г. Воронеж.

Зашита состоится « » 2013 г. в часов на заседании диссертационно го совета Д212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротех нического университета "ЛЭТИ" имени В.И. Ульянова (Ленина) по адресу:

197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" имени В.И.

Ульянова (Ленина).

Автореферат разослан « 10 » января 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.238.03 С.А. Баруздин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Принцип действия большинства аппаратуры СВЧ диапазона основан на использовании преобразователей частоты. Это входные приемные устрой ства, преобразующие спектр частот СВЧ сигналов в сравнительно низкоча стотный диапазон промежуточных частот, или выходные устройства, преоб разующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ диа пазон для передачи к измеряемому объекту.

Для преобразования частоты СВЧ сигналов используются полупровод никовые приборы различного принципа действия и назначения, на основе ко торых разрабатывается широкая номенклатура преобразователей частоты:

детекторы, смесители, стробоскопические преобразователи, умножители, де лители, генераторы гармоник, модуляторы.

Наибольшее распространение получили диодные преобразователи ча стоты. До настоящего времени они являются основным типом преобразова телей частоты в радиоприемных устройствах (РПУ) и аппаратуре см- и мм диапазонов длин волн благодаря меньшему уровню шумов и более высокому быстродействию по сравнению, например, с транзисторными преобразовате лями.

Для многих применений требуются преобразователи частоты с очень высокими (уникальными) характеристиками, которые не регламентируются и не выпускаются ни в России, ни за рубежом. Например, подавление паразит ных составляющих в спектре выходного сигнала широкополосных (с пере крытием октава) утроителей частоты не менее 35-40дБс. Для достижения этих требований и улучшения характеристик новых разрабатываемых устройств требуются все более новые и нестандартные подходы к методике проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты различных типов и конструкций.

Существующие автоматизированные методы расчета и проектирования СВЧ устройств часто, в силу конструктивно-технологических особенностей последних, непригодны. Требуется их доработка (адаптация) под конкретную задачу. Таким образом, задача теоретического и экспериментального иссле дования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техни ческими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссер тационная работа, актуальна.

Приоритетной целью диссертационной работы является разработка ди одных СВЧ преобразователей частоты с повышенными техническими харак теристиками, обеспечивающих расширение верхней границы рабочего диа пазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габа ритов и массы, низкую себестоимость, компактность и простоту производ ства устройств СВЧ диапазона.

Цель диссертационной работы - разработка автоматизированных ме тодов проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты. Исследова ние и разработка новых СВЧ устройств с повышенными техническими ха рактеристиками на основе этих методов.

Цель диссертационной работы была достигнута решением следующих задач:

1) Сравнительный анализ методов расчета и проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты и оценка возможности их использования в см- и мм- диапазонах.

2) Адаптация автоматизированных методов проектирования для реше ния задач проектирования преобразователей с высокими характеристиками.

3) Моделирование характеристик диодных СВЧ преобразователей ча стоты, выполненных на основе сочленений различных видов линий передачи.

4) Экспериментальная верификация характеристик разработанных устройств.

Научная новизна работы:

1) Разработаны оригинальные математические модели широкополосных балансных удвоителей и утроителей частоты см- и мм- диапазонов на основе современных программ моделирования СВЧ устройств. Указанные модели построены с учетом фильтрующих и резонансных свойств волноведущих структур, которые позволяют определить основные характеристики умножи телей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни по давления паразитных сигналов).

2) Разработаны новые модели смесителей на основе современных про грамм моделирования СВЧ устройств, позволяющие определить основные характеристики смесителей проходного типа и смесителей с диплексером (потери преобразования, неравномерность потерь преобразования, ослабле ние побочных каналов приёма, нелинейные искажения).

3) Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплекси рованных многофункциональных преобразователей в виде ГИС СВЧ, обес печивающие повышенные характеристики аппаратуры СВЧ.

4) Предложены и исследованы оригинальные структуры малогабарит ных, широкополосных диодных СВЧ преобразователей частоты, выполнен ные на основе сочленений различных видов линий передачи, дающие воз можность работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

Основные методы исследования:

а) Теоретические: методы теории цепей, компьютерное моделирование.

б) Экспериментальные Научные положения, выносимые на защиту:

1) Расчет и проектирование широкодиапазонных смесителей необходи мо выполнять как комплексированных устройств, содержащих фильтрующие элементы в каждом канале.

2) Схемы балансных смесителей, где для передачи сигналов использу ются комбинации пар волноводных, щелевых, копланарных и других микро полосковых линий, в которых силовые линии электромагнитных полей име ют ортогональную ориентацию, позволяют осуществлять преобразование СВЧ сигнала на основной частоте гетеродина в диапазоне частот выше ГГц.

3) Выполнение умножителя частоты в виде сочленений двух линий пе редачи: входной - копланарного волновода и выходной - щелевой линии, имеющей плавный или ступенчатый переход на волноводный тракт позволя ет получить высокое подавление паразитных составляющих в спектре вы ходного сигнала.

4) Общие принципы выбора оптимальных конструкций широкополос ных умножителей частоты, которые позволяют получить СВЧ устройства с повышенными характеристиками должны учитывать:

- требование ортогональности полей входного и выходного сигналов (при возможности);

- возможную простоту реализации фильтров и согласующих цепей;

- максимально простую и широкополосную связь умножительного узла с входным и выходным трактами;

- возможность и простоту настройки.

5). Новые, высокоэффективные методы расчета и проектирования базо вых микрополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преоб разователей СВЧ: смесителей проходного типа, смесителей с диплексером;

балансных удвоителей и утроителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ), с применением новой элементной базы и новых вариантов сочленений различ ных типов волноведущих структур, основанные на комплексном использова нии результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость результатов работы:

1) Предложенные в работе методы проектирования могут быть исполь зованы для разработки базовых микрополосковых и волноводно- микропо лосковых конструкций диодных СВЧ преобразователей частоты.

2) Разработанные методы и модели широкополосных преобразователей частоты позволяют на основании паспортных данных на умножительные и смесительные диоды, по заданным требованиям к диапазону и полосе частот, коэффициенту умножения по частоте и уровню входной мощности рассчи тывать все основные характеристики диодных СВЧ преобразователей часто ты во временной и частотной областях.

3) Применение предложенных методов и алгоритмов позволяет повы сить качество и существенно сократить сроки проектирования диодных пре образователей частоты с повышенными техническими характеристиками.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуж дались на следующих конференциях:

На Всероссийских НТК:

«Исследование, разработка и применение средств радиоэлектроники, те лекоммуникаций и информационных систем в промышленности», Махачка ла, ДГТУ, 2011;

«Cредства радиоэлектроники, телекоммуникаций, информационных си стем и их применение», Махачкала, ДГТУ, 2012;

На республиканских НТК:

«XXVIII итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2007);

«XXIX итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2008);

«XXX итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2009);

«XXXII итоговая научно-техническая конференция ДГТУ. Технические науки» (Махачкала ДГТУ, 2011);

Публикации: Основные теоретические и практические результаты дис сертации опубликованы в 20 статьях и докладах, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем пе речне ВАК, 2 публикации в сборнике научных трудов, 11 работ в материалах Всероссийских и республиканских научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 128 наиме нований. Объем диссертации составляет 156 страниц, включая 136 страниц основного текста, 35 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полу ченных результатов, а также сформулированы научные положения, выноси мые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрено современное со стояния методов проектирования и уровень технического развития диодных СВЧ преобразователей частоты, проанализированы особенности их примене ния в аппаратуре СВЧ диапазона.

Показано, что основные технические характеристики (диапазон частот, динамический диапазон, чувствительность, пределы и точности измерения) широкой номенклатуры аппаратуры СВЧ диапазона, выходная мощность и качество спектра источников сигналов в значительной степени определяются соответствующими характеристиками смесителей, умножителей частоты и многофункциональных преобразователей частоты.

Несмотря на довольно широкую номенклатуру смесителей, рекламируе мых многими зарубежными фирмами и разработанных предприятиями оте чественной промышленности, вопросы проектирования смесителей, опти мально решающих задачи данной работы, очень актуальны.

Умножители частоты широко используются для создания портативных, надежных, дешевых твердотельных источников сигналов малой и средней мощности в см- и мм- диапазонах.

Рассматриваются различные типы умножителей частоты, отличающиеся шириной полосы рабочих частот, коэффициентом умножения, видом и коли чеством используемых нелинейных элементов, схемой, конструкцией и тех нологией изготовления, уровнем технических параметров и условиями экс плуатации.

Однако синтез универсального умножителя, имеющего исключительно высокие параметры, является сложной задачей, поскольку повышение одних характеристик ведет к ухудшению других, и отсутствуют точные методы расчета и оптимизации на ЭВМ «сильно» нелинейных устройств с распреде ленными параметрами. Поэтому выбор схемы умножителя и расчет ее эле ментов производится, как правило, приближенно, с учетом последующей экспериментальной доводки, исходя из требований к значениям ограничен ного числа параметров, удовлетворение которых гарантирует решение опре деленных задач.

Поиск оптимальных конструкций широкополосных умножителей мм диапазона, работоспособных до сотен гигагерц, разработка методов их расче та и проектирования, а также методов настройки и контроля параметров яв ляются актуальными и тоже входят в задачу исследования В настоящее время в связи с широкой номенклатурой приборов на осно ве арсенида галлия и усложняющимися требованиями к аппаратуре СВЧ диапазона создаются суперкомпоненты, содержащие: СВЧ генераторы, уси лители, смесители, переключатели, изоляторы, фильтры, аттенюаторы, схе мы управления, питания и другие. Функциями суперкомпонентов являются:

усиление сигналов, модуляция, ограничение, генерация, фильтрация, преоб разование частоты, переключение, ответвление и т.д. Необходимость иссле дования, поиск оптимальных структур и разработка многофункциональных преобразователей частоты вызвана одной из современных тенденций разви тия аппаратуры СВЧ диапазона - созданием многофункциональной измери тельной аппаратуры.

Обзор методов исследования СВЧ преобразователей частоты, выпол ненный в главе, выявил актуальность разработки методики проектирования нелинейных СВЧ устройств, базирующейся на сочетании приближенных аналитических и машинных методов анализа и расчета основных харак теристик устройств с учетом результатов экспериментальной настройки.

На основе анализа программ моделирования СВЧ устройств показано, что для решения диссертационных задач могут быть применены программ ные комплексы, которые обеспечивают доступ к линейному и нелинейному моделированию (Ansoft Designer, Microwave Office). Выбор этих программ ных комплексов обоснован и разнообразием выходных файлов различных форматов.

В заключении главы 1 сформулированы основные выводы и задачи ис следований в рамках диссертационной работы.

Вторая глава посвящена расчету и проектированию СВЧ смесителей. На основе обзора систем автоматизированного проектирования СВЧ устройств для расчета характеристик смесителей и их конструктивных элементов был выбран пакет Ansoft Designer.

С целью уменьшения потерь преобразования в смесителях, снижения требуемого уровня мощности гетеродина, уменьшения неравномерности АЧХ предложено проектировать балансные смесители на бескорпусных ДБШ или диодных сборках как единый СВЧ узел совместно с входными и выходными фильтрами.

Предложенный в диссертации алгоритм проектирования состоит в сле дующем:

1. Выбор общей конструкции сме сителя.

2. Выбор структуры и расчет кон структивно–технологических парамет ров фильтров исходя из требуемых ха рактеристик.

3. Оптимизация конструктивных элементов смесителя для достижения заданных параметров.

В работе проработаны два варианта конструктивного выполнения смесите лей:

- смеситель проходного типа с формированием противофазного сигнала Рис.1- Конструкция смесителя гетеродина щелевым резонатором;

проходного типа - смеситель с диплексером по входу СВЧ сигнала и подачей гетеродина к диодам по волноводно-щелевой линии.

Конструкция балансного смесителя проходного типа показана на рис. Основа конструкции – последовательное соединение двух микрополос ковых фильтров: входного полосового (на связанных полуволновых резона торах или шлейфовый – в зависимости от диапазона частот) и выходного ФНЧ, начинающегося (со стороны диодов) индуктивной секцией.

К точке соединения фильтров подключена пара смесительных диодов (разнополярно), другие выводы диодов заземлены. Для противофазного воз буждения диодов сигналом гетеродина он формируется щелевым резонато ром (электрическая длина г /2), выполненным с обратной стороны подложки в экране плат фильтров, так чтобы точки заземления выводов диодов были расположены по разным сторонам резонатора, на краях и посередине длины резонатора. Сигнал гетеродина подается по микрополосковой линии (МПЛ) и возбуждает резонатор с помощью короткозамкнутой перемычки из фольги или разомкнутым шлейфом (в виде антенны). Конструкция смесителя обес печивает хорошую развязку между каналом гетеродина и входом СВЧ сигна ла (выходом ПЧ) за счет симметрии и ортогональности электромагнитных полей в линиях.

Выбор структуры входного микрополоскового фильтра, типа и толщины подложки определяется возможностью его практической реализации с поте рями в полосе пропускания 1 дБ и уровнем ослабления в требуемой полосе запирания не менее 45 дБ.

Диапазон частот ПЧ снизу не ограничен, поскольку в качестве выход ных фильтров предполагается использование ФНЧ. Заметим, что любая структура микрополоскового ПФ имеет паразитные полосы пропускания в диапазоне частот выше рабочей полосы. Однако в данном случае это не вы зывает необходимости расширять полосу заграждения за счет включения до полнительных ФНЧ, так как входные МШУ, предусмотренные структурой конверторов, внесут заметное ослабление (20 дБ) на частотах выше их ра бочего диапазона. Благодаря этому требования к вносимому ослаблению ПФ в полосах приема по 3К и выше могут быть ослаблены до ~ 25 дБ, что суще ственно упрощает процесс расчета и практической реализации ПФ.

Требования к выходным ФНЧ – это минимальные потери в диапазоне частот выходных сигналов и максимальное вносимое ослабление (50 дБ) в полосе входных сигналов и на частотах гетеродина. Заметим, что для смеси теля с fc =2-6 ГГц в качестве выходного фильтра необходимо использовать ПФ 10-14 ГГц с целью подавления прямого прохождения входного сигнала на выход ПЧ.

В соответствии с определенными выше требованиями рассчитаны ПФ и ФНЧ для смесителей диапазонов частот 18-26 ГГц и 38-42 ГГц. Оптималь ным вариантом представляется реализация фильтров на кварцевой подложке толщиной 0,3 мм, в диапазоне частот 18-26 ГГц структура ПФ – на чет вертьволновых закороченных шлейфах;

в диапазоне частот 38-42 ГГц – на полуволновых связанных резонаторах.

Следующий шаг автоматизированного расчета и проектирования – оп тимизация конструктивно-топологических элементов смесителя в целом для достижения заданных параметров.

Для оптимизации характеристик смеситель представлялся в виде моде ли показанной на рис. 2.

Конструктивно-топологические па раметры входного ПФ – структура на четвертьволновых закороченных шлейфах и выходного ФНЧ –на ин дуктивно-емкостных отрезках МПЛ.

Между точкой подключения диодов и выходным ФНЧ вводится отрезок МПЛ (W2, l2) с целью образования Рис.2- Модель смесителя пучности напряжения входного сигнала проходного типа (на средней частоте) в точке подключения диодов при отражении от ФНЧ.

Между входным ПФ и точкой подключения диодов тоже введен отрезок МПЛ (W1, l1) ПФ напряжения ПЧ. Возбуждение диодов смесителя модели руется подключением источника гетеродина через высокодобротные полосо вые фильтры, обеспечивающие беспрепятственное прохождение сигнала ге теродина и короткое замыкание на входе для входного СВЧ сигнала и вы ходного ПЧ. Полосовые фильтры в тракте гетеродина являются вспомога тельными элементами, смоделированными на сосредоточенных L, C элементах, для имитации реального режима работы смесителя. Оптимизация смесителя заключается в вариации топологических параметров в заданных пределах (длины и ширины отрезков МПЛ (l1, W1) (l2, W2) и ближайших к точке подключения диодов элементов фильтров (WПФ, lПФ), (WФНЧ, lФНЧ) с це лью достижения минимальных потерь преобразования в рабочем диапазоне частот.

C учетом выше изложенных требований выполнено проектирование смесителей проходного типа на 18-26 ГГц (fг = 32 ГГц), на 26 - 38 ГГц (fг = ГГц) и на 37 - 42 ГГц (fг = 48 ГГц).

Результаты проектирования были использованы при создании экспери ментальных образцов смесителей верхней части см- и мм- диапазонов. На рис. 3 приведены результаты расчета величины потерь преобразования от ча стоты при различных мощностях гетеродина ( 0 дБм, 5дБм, 10дБм, 15дБм).

Рис.3- Потери преобразования при различных Таким образом минимальные и равномерные потери преобразования ре ализованы при мощности =5дБм и составляют не более 7дБ. Неравномер ность потерь преобразования при =5дБм не превышает ~3дБ во всем диапа зоне частот (18-26 ГГц).

Предложенная в работе конструкция балансного смесителя с диплексе ром в тракте входного сигнала показана на рис. 4.

Входной СВЧ сигнал подается синфазно на диоды балансного смесителя через полосовой многозвенный фильтр. Сигнал гетеродина через волновод но-щелевой переход возбуждает короткозамкнутую щелевую линию. К ее точкам, удаленным от короткозамкнутого конца на г/4, подключены диоды.

Рис.4- Конструкция смесителя с диплексером Входной ПФ и выходной ФНЧ образуют диплексер для развязки кана лов смесителя.

Для расчета и оптимизации характеристик и конструктивно - топо логических параметров смесителей использовались результаты проекти рования ПФ и ФНЧ смесителей проходного типа (рис. 1).

Рис.5-Топология диплексера Рис.6- Схема смесителя с диплексером Особенностью проектирования смесителей данной конструкции (с ди плексером) является необходимость оптимизации топологии диплексера прежде, чем оптимизировать характеристики смесителя. На рис. 5 представ лена топология диплексера для смесителя 37-42 ГГц.

Оптимизация диплексера заключается в отыскании оптимальных пара метров (длины и ширины) отрезков МПЛ «1» и «2» для обеспечения требуе мых характеристик шестиполюсника:

|S31| 1 дБ в диапазоне частот входного сигнала;

|S23| 1 дБ в диапазоне ПЧ;

|S21| 40дБ в диапазонах входного сигнала и ПЧ;

|S13|, |S23| 50 дБ на частоте гетеродина.

После получения требуемых характеристик диплексера оптимизируется полная схема смесителя (рис. 6).

В процессе оптимизации варьируются параметры отрезков МПЛ «1», «2» и «3», а также параметры (длина и ширина) ближайших к точке подклю чения диодов элементов входного ПФ и выходного ФНЧ, для обеспечения минимальных потерь преобразования смесителя в рабочем диапазоне частот при минимальном ( 10 дБм) уровне мощности гетеродина и с учетом обес печения требуемых нелинейных и комбинационных искажений, требуемого ослабления по зеркальному и побочным каналам приема и высокой степени изоляции каналов смесителя. Результаты расчета потерь преобразования при различных Рг смесителей с диплексером приведены на рис. Рис.7- Потери преобразования при различных Оптимальная мощность гетеродина Рг ~ 6 дБм для реализации мини мальных и равномерных потерь не более 7 дБ.

Расчёт показывает, что возможна реализация достаточно малых потерь преобразования 6,6 – 8,0 дБ (с учётом ослабления в ПФ и ФНЧ) при невысо ких уровнях Рг ~ 5 – 7 дБм. Расчётная неравномерность АЧХ в полосе 40 МГц не превышает 0,1 – 0,15 дБ.

Недостаточное ослабление побочных каналов приёма 20 - 30 дБ наблю дается только в тех участках диапазона частот, где входные МШУ внесут до полнительные потери не менее 30 дБ. Характеристики нелинейных искаже ний показывают, что максимальный уровень мощности на входе смесителя не должен превышать -15 - -20 дБм для ослабления интермодуляционных ис кажений 3-го порядка не менее 50 дБс.

Относительно малый уровень компрессии и подавления гармонических и интермодуляционных искажений связан с минимизацией при расчёте ха рактеристик смесителей требуемого уровня мощности гетеродина (Рг ~ 5 - дБм), что продиктовано минимальными затратами при реализации источни ков гетеродинных сигналов.

Все основные характеристики различных типов смесителей (проходного типа и с диплексером) примерно одинаковы и выбор оптимального варианта, очевидно, может быть связан с конструктивными и технологическими осо бенностями.

Третья глава диссертации посвящена расчету и автоматизированному проектированию балансных умножителей частоты.

С целью уменьшения потерь преобразования в умножителях, обеспече ния максимального КПД в заданном диапазоне частот, снижения требуемого уровня мощности, уменьшения неравномерности АЧХ предложено проекти ровать балансные умножители частоты на бескорпусных ДБШ или диодных сборках как единый СВЧ узел совместно с входными и выходными фильтра ми.

В ходе выполнения работы проработаны два варианта конструктивного выполнения умножителей частоты:

- балансный удвоитель частоты (26 - 40ГГц);

- балансный утроитель частоты (4 - 6,4/12 - 19,2 ГГц).

Анализ известных практических реализаций широкополосных умножи телей миллиметрового диапазона позволил выделить некоторые общие принципы выбора оптимальных конструкций:

- ортогональность полей входного и выходного сигналов (при возмож ности);

- простота реализации фильтров и согласующих цепей;

- максимально простая и широкополосная связь умножительного узла с входным и выходным трактами;

- возможность и легкость настройки.

Конструкция удвоителя частоты, удовлетворяющая данным условиям, приведена на рис.8.

Удвоитель частоты выполнен в виде комби нации двух линий передачи: входной - копланар ного волновода и выходной - щелевой линии, имеющей плавный или ступенчатый переход на волноводный тракт. Линии изготавливаются на тонкой диэлектрической подложке, размещенной в разрезе по центру широкой стенки волновода;

диоды включены в плоскости соединения линий.

Входной сигнал подается через коаксиально полосковый переход. Со стороны входа «земля ные» обкладки копланарного волновода на рас Рис.8- Эскиз конструкции стоянии (L) от плоскости включения диодов, удвоителя частоты образуя отрезок линии /4 на средней частоте выходного сигнала. Короткозамкнутый отрезок, благодаря шунтирующему действию, уменьшает уровень 4-й гармоники в спектре выходного сигнала, так как составляет для нее половину длины вол ны.

Для расчета характеристик удвоитель частоты представлялся в виде мо дели показанной на рис. 9.

Расчет выполнен с помощью программы моделирования СВЧ устройств Microwave Office. В качестве материала для подложки был выбран МБСФ толщиной - 0,3 мм и диэлектрической проницаемостью 2,3. В процессе рас чета производился оптимальный выбор основных конструктивно топологических элементов: длины и ширины щелевого резонатора и отрезков МПЛ, параметров копланарной линии.

В результате расчета удвоителя были получены следующие харак теристики:

- равномерность выходной мощности - 1дБ;

- потери преобразования не более - 10дБ;

- подавление побочных гар монических составляющих на вы ходе умножителя во всем диапа зоне при неидентичности парамет ров диодов порядка 10% состав ляют: первая гармоника - 35дБ, третья гармоника - 40дБ, четвертая Рис.9- Модель удвоителя частоты гармоника - 30дБ Предложенная в работе кон струкция микрополоскового утроителя частоты, обладающая естественной симметрией и развязкой входного и выходного трактов, приведена на рис. 10.

Рис.10- Конструкция микрополоскового утроителя частоты Основа конструкции - две скрепленные экранами платы. На одной плате расположена входная микрополосковая линия (МПЛ), на другой - щелевой резонатор. Умножительные диоды, пересекая резонатор по центру, подклю чены разнополярно к входной МПЛ и противоположной стороне щелевого резонатора через конденсатор связи, который выполняет роль разомкнутого выходного шлейфа. Выходной сигнал снимается с помощью разомкнутого шлейфа, образованного МПЛ, расположенной на плате с обратной стороны щелевого резонатора.

Для расчета характеристик утроитель частоты представлялся в виде мо дели показанной на рис. 11.

Рис.11- Модель микрополоскового утроителя частоты Расчет выполнен с помощью программы моделирования СВЧ устройств Microwave Office. В качестве материала для подложки был выбран поликор толщиной - 0,25 мм и диэлектрической проницаемостью 10,2. В результате расчета производился оптимальный выбор основных конструктивно топологических элементов: длины и ширины шелевого резонатора и отрезков МПЛ, номинала конденсатора С, параметров элементов согласующих цепей на входе.

В результате расчета утроителя были получены следующие характери стики:

- Равномерность выходной мощности - 1дБ - Потери преобразования не более - 15дБ - Подавление побочных гармонических составляющих на выходе ум ножителя во всем диапазоне при неидентичности параметров диодов порядка 10% составляют: вторая гармоника - 27дБ, четвертая гармоника - 25дБ, пятая гармоника - 25дБ.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному исследо ванию диодных СВЧ преобразователей частоты.

Проведено экспериментальное исследование основных характеристик двух типов смесителей в диапазонах частот 18 – 26 ГГц и 37 – 42 ГГц, умно жителей частоты в диапазонах 12 – 19,2 ГГц и 26 – 40 ГГц и многофункцио нальных преобразователей частоты.

Макеты смесителей и умножителей частоты изготавливались на основе расчётов выполненных в предыдущих главах данной работы.

На рис.12 представлены результаты измерения потерь преобразования смесителя проходного типа 18-26 ГГц.

Измерения проведены при Рс = -10 дБм, fг = 32 ГГц и Рг ~ 8,5 дБм.

В смесителе использованы микросборки смесительных диодов (ННИПИ «Кварц»).

Рис.12- Потери преобразования смесителей проходного типа 18-26 ГГц На рис.13 приведены результаты измерения потерь преобразования сме сителя с диплексером 18-26 ГГц.

Рис.13- Потери преобразования смесителя с диплексером 18-26 ГГц.

Измерения проведены при Рс = -10 дБм,, fг = 32 ГГц и Рг = 8,5 дБм.

В смесителе использованы диоды АА147 Б, подобранные в пары по вольт-амперным и вольт-фарадным характеристикам.

На рис.14 приведены результаты измерения характеристик смесителя проходного типа диапазона 37-42 ГГц.

Рис.14- Характеристики смесителя проходного типа диапазона 37-42 ГГц.

Измерения проведены при Рс ~ -10 дБм, fг = 48 ГГц и Рг ~ 10 дБм.

В смесителе использована микросборка смесительных диодов (ННИПИ «Кварц»).

Макет удвоителя частоты 26-40,0 ГГц был изготовлен в сечении волно вода WR28 с выходным фланцем UG-599/U на диэлектрической подложке.

В качестве нелинейных элементов использованы серийно выпускаемые умножительные диоды с барьером Шотки (ДБШ 3А643).

Макет утроителя частоты 12-19,2 ГГц был изготовлен на умножитель ных диодах (типа 3А643В-3) на базе Нижегородского научно исследовательского приборостроительного института «Кварц».

Также выполнено экспериментальное исследование многофункциональ ного преобразователя частоты 0,5-16 ГГц. Расчетная относительная величина ослабления паразитных составляющих, кратных частоте 500 МГц, в спектре выходных сигналов – не менее 80 дБс (4 ГГц) и не менее 100 дБс (16 ГГц).

Полученные экспериментальные результаты по основным техническим характеристикам для всех конструкций смесителей и умножителей частоты находятся в хорошем соответствии с результатами расчета и позволяют сде лать вывод о возможности оптимизации конструкций СВЧ преобразователей частоты с помощью программ моделирования СВЧ устройств.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в рамках диссертационной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК России:

[1] Щитов А.М., Мирзаев З.Н., Исаев М.Д. Расчет и проектирование смесителя проходного типа 18-26 ГГц // Вестник Воронежского государ ственного технического университета. – 2010. –Т.6, № 11. –С. 119-122.

[2] Мирзаев З.Н., Щитов А.М., Тагилаев А.Р. Многофункциональные СВЧ преобразователи частоты // Вестник Дагестанского государственного технического университета, 2010. -№18. - С. 14-20.

[3] Гусейнов М.С., Мирзаев З.Н. Широкополосный балансный умножи тель частоты на связанных микрополосковых линиях передачи // Вестник Да гестанского государственного технического университета, 2010. -№19. - С. 7 11.

[4] Тагилаев А.Р., Исаев М.Д., Мирзаев З.Н. Высокочастотный баланс ный модулятор с высоким подавлением несущей частоты // Радиотехника, 2011, № 10, C. 45-47.

[5] Гусейнов М.С., Мирзаев З.Н., Щитов А.М. Расчет широкополосного полосно-пропускающего фильтра (12-19,2 ГГц) с короткозамкнутыми чет вертьволновыми шлейфами // Вестник Дагестанского государственного тех нического университета, 2012. –№22. – С. 18–23.

[6] Мирзаев З.Н., Щитов А.М., Комягин Р.В. Широкополосный умножи тель частоты 4-6,4/12-19,2 ГГц // Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Бау мана) (электронный журнал), 2012. № 11. –С. 70-76.

[7] Мирзаев З.Н., Щитов А.М., Гусейнов М.С. Широкополосный баланс ный удвоитель частоты миллиметрового диапазона (26-40ГГц) // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2012. –Т.8, № 12.1 –С. 47-50.

Другие статьи и материалы конференций:

[8] Мирзаев З.Н., Исаев М.Д. Антенная система всенаправленного до плеровского радиомаяка // Сборник докладов XXVIII итоговой научно технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и сту дентов ДГТУ. – Махачкала ДГТУ, 2007. – Ч.1. - С. 229-230.

[9] Мирзаев З.Н. Балансный модулятор на объемных интегральных схе мах // Сборник докладов XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. – Махачкала ДГТУ, 2008. – Ч.1. - С. 302-303.

[10] Мирзаев З.Н., Казиев Р.М. Моделирование информационно измерительных систем в среде Electronics Workbench // Сборник докладов XXX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудни ков, аспирантов и студентов ДГТУ. – Махачкала ДГТУ, 2009. – Ч.1. - С. 294.

[11] Мирзаев З.Н., Исаев М.Д. Расчет параметров микрополосковых по лосовых фильтров на связанных линиях // Сборник научных трудов кафедры микроэлектроники.– Махачкала: тип. ИП Тагиева Р.Х., 2011. – Вып.1. -С.36 40.

[12] Мирзаев З.Н., Салихов Ш.М. Моделирование копланарно полоскового перехода в программе HFSS // Сборник докладов XXХII итого вой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспи рантов и студентов ДГТУ. – Махачкала ДГТУ, 2011. – Ч.1. - С. 274-275.

[13] Мирзаев З.Н., Гусейнов М.С. Моделирование утроителя частоты в диапазоне 4-6,4 ГГц // Сборник докладов XXХII итоговой научно технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и сту дентов ДГТУ. – Махачкала ДГТУ, 2011. – Ч.1. - С. 270-271.

[14] Мирзаев З.Н., Касаткина Е.Г. Расчет параметров связанных микро полосковых линий, используемых в варакторных умножителях частоты (ста тья) // Исследование, разработка и применение средств радиоэлектроники, телекоммуникаций и информационных систем в промышленности: матер.

Всерос. науч.-тех. конф. – Махачкала: ДГТУ, 2011. – С. 272-274.

[16] Мирзаев З.Н., Гусейнов М.С. Расчет широкополосных согласую щих цепей лестничной структуры (статья) // Cредства радиоэлектроники, те лекоммуникаций, информационных систем и их применение: матер. Всерос.

науч.-тех. конф. – Махачкала: ДГТУ, 2012. – С. 163-166.

[15] Мирзаев З.Н., Гусейнов М.С. Расчет элементов широкополосной согласующей цепи в диапазоне 4-6,4 ГГц (статья) // Cредства радиоэлектро ники, телекоммуникаций, информационных систем и их применение: матер.

Всерос. науч.-тех. конф. – Махачкала: ДГТУ, 2012. – С. 183-187.

_ Подписано в печать 20.12.12. Формат 60*84 1/ Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0.

Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова,