МОСТЫ И ДЕЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ

В технике СВЧ мостовые схемы обычно используются как делители мощности на два канала (в равных отношениях при высокой развязке между ними) и как балансные смесители с высокой развязкой между входными каналами. Разновидности топологии мостовых схем представлены на рис. 29, 30.

При использовании мостовой схемы в качестве делителя, энергия подается в плечо 1, распределение мощности энергии происходит в равном соотношении между 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 устанавливается оконечная нагрузка.

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

КОЛЬЦЕВЫЕ ГИБРИДНЫЕ МОСТОВЫЕ СХЕМЫ

Мостовые схемы в виде кольца (рис.29) характеризуются следующими основными параметрами:

– развязкой между каналами, которая определяется по формуле

где Р2 и Р4 – величины мощностей на выходных каналах (при подаче мощности в 1 канал);

- делением мощности по выходным каналам.

Расчет мостовой схемы сводится к определению среднего диаметра d_ср и ширины кольца b_к при заданных значениях волнового сопротивления Z₀ основной полоски и рабочей длине волны λ₀. Расстояние между осями должно быть , а по длинной стороне . Длина средней линии кольца определяется из формулы

из этой формулы

Волновое сопротивление кольца Z_к определяется из соотношения

Рисунок 29 - Кольцевая гибридная схема мостовая

Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной полоски. Для большей компактности мостовую схему выполняют в виде прямоугольника (рис.28)

Рисунок 30 - Прямоугольная гибридная схема мостовая

Размеры прямоугольника определяются по формуле

Волновое сопротивление полосок прямоугольной мостовой схемы определяется из выражения Ширина полоски кольца Wк определяется аналогично ширине основной полоски.

НАПРАВЛЕННЫЕ ОТВЕТВИТЕЛИ ШЛЕЙФНЫЕ

Направленные ответвители шлейфные применяются в аппаратуре СВЧ: в разветвителях и сумматорах мощности, в фазовращателях, переключателях, балансных смесителях, для изоляции передающих и приемных устройств, работающих на одну общую нагрузку. Шлейфные направленные ответвители имеют большие габариты и узкую рабочую полосу частот. Топологическая и электрическая схемы изображены на рис. 31.

Основные частотные характеристики следующие:

– связь (переходное ослабление) –

– направленность –

– коэффициент стоячей волны, КСВ.

где Рi – мощность в i–м плече направленного ответвителя.

Величина связи С определяется волновой проводимостью шлейфов Yшi,

ширина рабочей полосы частот – числом шлейфов n. На практике не

проектируют направленные ответвители с числом шлейфов n больше 3 – 4.

В двухшлейфном направленном ответвителе волновые проводимости шлейфов Yш1 и отрезка линии между шлейфами Y1 определяются однозначно.

В направленном ответвителе с тремя и более шлейфами выбор Yшi и Yi определяются неоднозначно. Направленные ответвители бываютнескольких типов.

Направленный ответвитель типа-1 имеет все проводимости Yi равными волновой проводимости тракта .

Такие направленные ответвители просты в проектировании и изготовлении, но частотные характеристики их не оптимальны.

Рисунок 31 - Шлейфовый направленный ответвитель: (а) – электрическая схема; (б) –

топологический чертеж

Направленный ответвитель типа-2 имеет различные значения проводимостей Yi.

СМЕСИТЕЛИ

Смеситель-устройство, содержащее нелинейный элемент и элементы связи с выходом режекторного фильтра и гетеродина (генератора переноса спектра).

Главное предназначение смесителей - перемножение двух сигналов, входной частоты и частоты гетеродина с целью получения на выходе сигнала более низкой (промежуточной) частоты.

В идеальном случае, на выходе смесителя присутствовали бы только желаемые частоты со значениями (f_н - f_г) и (f_н + f_г), где f_н –частота принимаемого сигнала, f_г –частота гетеродина. Но идеальных устройств в природе не существует. В реальном случае смесители вырабатывают на выходе ПЧ целый набор продуктов преобразования ± mf_н ± nf_г, где m = 0, 1, 2, ... и n = 0, 1, 2, ..., после чего нежелательные из них (паразитные) отфильтровываются. Преобразование частоты сигнала происходит за счет нелинейности характеристик смесительного элемента. В смесителях можно использовать обращенные туннельные диоды (ОД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ), транзисторы.

Реальные смесители сложны для анализа, и поэтому их эксплуатационные качества определяются множеством характеристик. Ниже приводится список главных технических требований, предъявляемых к смесителям, в порядке убывания их важности:

1)Диапазон рабочих частот

Смесители обладают широким диапазоном частот, от очень низких (практически от нулевой частоты) до десятков ГГц. Диапазон рабочих частот является основным критерием, который в значительной степени определяет конечный выбор типа смесителя.

2) Динамический диапазон (относится к линейному участку амплитудной характеристики смесителя). Нижний предел динамического диапазона смесителя определяется его коэффициентом шума, в то время как верхний предел определяется уровнями компрессии коэффициента передачи, интермодуляционных составляющих и теплового разрушения.

Динамический диапазон вычисляется следующим образом:

где Рmах — максимальная мощность входного сигнала, не вызы­вающая разрушения диода и не приводящая к амплитудному ис­кажению сигнала; Pmin — минимальная мощность подводимого сигнала, различаемая на уровне шумов (определяет пороговую чувствительность смесителя).

3)Коэффициент шума

где Рш.вх, -Рш.вых — мощность шумов на входе и выходе смесителя со стороны входного преобразуемого сигнала;

Как правило, смесители имеют коэффициент шума в пределах от 6 до 20 дБ. Коэффициент шума пассивных смесителей численно равен потерям преобразования. Коэффициент шума активных смесителей зависит от конфигурации схемы и типов применяемых в ней элементов.

4)Коэффициент передачи

Активные смесители обеспечивают коэффициент передачи в диапазоне от 1 до 4,17дБ, в то время как пассивные смесители имеют типовое значение потерь преобразования от 5,5 до 8,5 дБ.

5)Гетеродинный сигнал

Идеальный смеситель был бы нечувствителен ни к уровню гетеродинного сигнала, ни к соответствующим параметрам смесителя. Пассивные двойные балансные диодные смесители требуют уровень гетеродина от +7 до +23.

6)Развязка

Развязка представляет собой параметр, характеризующий степень подавления паразитного прохождения сигнала, приложенного к одному из входов на оставшиеся выводы смесителя. Единственный сигнал, который должен присутствовать на выходе смесителя - сигнал промежуточной частоты. Величина развязки зависит от того, является ли смеситель небалансным, простым балансным или двойным балансным. Небалансные смесители вообще не имеют развязки между портами. Двойные балансные смесители обеспечивают наилучшую развязку между всеми тремя выводами.

7)Согласование импедансов

Все входы-выходы смесителя должны быть тщательно согласованы в тракте приема-передачи. В активных смесителях в результате рассогласования обычно снижается коэффициент усиления. Пассивные смесители особенно чувствительны к рассогласованию по выходу промежуточной частоты, в результате чего получаются большие потери преобразования и больший уровень паразитных продуктов преобразования. Независимо от того, какой смеситель применяется в системе, активный или пассивный, для получения оптимальных его параметров должно быть выполнено тщательное согласование его портов с соответствующими трактами.

8)Простота

Важной характеристикой любой схемы является простота разработки и реализации. Достаточно сложные системы трудно как разрабатывать, так и изготавливать. Применение меньшего числа компонентов снижает стоимость, увеличивает надежность, облегчает техническое обслуживание и требует меньшего количества запасных частей.

В зависимости от принципиальной схемы смесители делятся на небалансные (НБС) и балансные (БС). В качестве гетеродина используются отражательные клистроны, лампы обратной волны и генераторы на полупроводниковых электронных приборах. Все эти генераторы отличаются возможностью электронной или электрической перестройки.

Конструктивно НБС представляют собой детекторную головку с дополнительным элементом связи с гетеродином, к которой подводится преобразуемый сигнал Р_с и сигнал гетеродина P_г;элемент связи с гетеродином выполняется в виде штыря, тройника, направленного ответвителя и др. Детекторная головка имеет два входа для СВЧ-сигналов. На один из входов подается радиосигнал

U_c = U(t)cos (ω_ct)

на другой сигнал гетеродина

Uг=Umгcosω t.

Таким образом, в промежуточную частоту могут преобразоваться два радиосигнала, один —с частотой ω_с—ω , а другой – ω_г-ω . Один из них всегда является помехой, зеркальной частотой (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина). Однако, если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будут отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты ω_пч=ω_г-ω_з. И если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты ω_пч=ω_с-ω_г, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя.

Для облегчения задачи подавления зеркальной частоты канала необходимо выбирать значение ω по возможности больше, в связи с чем, с целью обеспечения высокой селективности по соседнему каналу возникает необходимость повторного преобразования частоты в более низкую промежуточную частоту.

Конструкция БС обеспечивает вычитание шумов гетеродина при соответствующем включении диодов. В качестве элементов связи в конструкциях БС используются мостовые соединения. Помимо указанного достоинства схемы БС имеют и другие преимущества: возможность использования маломощных гетеродинов и др.

На рисунке 32,а приведена топологическая схема небалансного смесителя, которая содержит направленный фильтр с кольцевым резонатором 1 для развязки входов полезного сигнала и сигнала гетеродина, диод 2, фильтр промежуточной частоты 3 для выде­ления сигнала промежуточной частоты, режекторный фильтр 4 для подавления зеркального канала. На рисунке 32,б показана топо­логическая схема балансного смесителя, в которой четвертьвол­новая секция, включенная перед диодом Д обеспечивает синфазность сигналов, поступающих на диоды Д и Д₂, и повышен­ную развязку между сигнальным и гетеродинным входами.

Посто­янная составляющая тока диода заземляется через цепочку, состоящую из двух высокоомных четвертьволновых отрезков L₂, соединенных четвертьволновым параллельным низкоомным шлей­фом. Преобразованные сигналы проходят через фильтры нижних частот L₁, С , С на общий выход.

Рисунок 32 - Смесители: а-небалансный с подавлением зеркального канала;

б-балансный; в-двойной балансный.

При очень высоких требованиях к развязке между входами; сигнала и гетеродина и к подавлению в выходном спектре всех гармоник, комбинационных частот и зеркального канала исполь­зуются двойные балансные смесители (ДБС). В этом случае по­давление зеркального канала имеет особое значение, так как по­следний увеличивает шумы смесителя и создает возможность про­никновения помех большой амплитуды от радиосистем, работаю­щих на частотах этого канала.

В схеме ДБС (рис.32, в) направленный ответвитель 1 делит входные сигналы на две равные части с фазовым сдвигом π/2 радиан. Одна часть этих сигналов подводится к балансному сме­сителю 2, а другая через фазовращатель 4 идет на балансный смеситель 3. Фазовращатель 4, используемый только при необходи­мости подавления зеркального канала, поворачивает фазу полезного сигнала относительно фазы сигнала зеркального канала на угол π радиан. Сигнал гетеродина подается на смесители через разветвитель 5. В результате фазовых сдвигов сигналов в схеме ДБС сигналы промежуточной частоты, полученные от преобразования полезного сигнала, в гибридном направлении ответвителя 6 на выходе А складываются, а сигналы зеркального канала на этом выходе — вычитаются. На выходе В, наоборот, полезные сигналы вычитаются, а сигналы зеркального канала складываются. Этот выход нагружается на согласованную нагрузку.

Двойной балансный смеситель обеспечивает: уменьшение плот­ности гармоник входных сигналов и комбинационных частот в вы­ходном спектре; увеличение динамического диапазона и макси­мально допустимой мощности; снижение требований к напряже­нию пробоя диодов; исключение или ограничение требований к фильтрам благодаря развязке между всеми парами полюсов. Не­достатками ДБС является возрастание требуемой мощности гете­родина на 3 дБ по сравнению с балансными смесителями, неудоб­ное расположение диодов, трудность реализации в интегральном исполнении.

В настоящее время наибольшее применение в смесителях сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн получили точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ). В дециметровом диапазоне иногда применяются обращенные туннельные диоды, у которых используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики (BAX). ДШ требует большей мощности гетеродина (2...10 мВт для диодов из арсенида галия и 0,5...1 мВт для кремниевых диодов) в отличие от туннельных диодов (0,1…0,2 мВт).

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существенен лишь эффект прямого преобразованиячастоты, в диодных смесителях наблюдается также эффект обратного npеобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты ω =ω -ω , появившееся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала ω = ω + ω .Таким образом, эффект обратного преобразовании обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смеси­теле, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т. е. представляет собой взаимное устройство.

Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты.При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя, как рассмотрено выше, зеркальной частоты(рис. 33).

Рисунок 33 - Спектральный состав колебаний частоты в преобразователе частоты.

Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в результате взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина, так как ω₃=2 ω —ω_с.