Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты

Перспективным направлением создания сверхширокополосных источников СВЧ-сигналов является проектирование комплексированных многофункциональных ГИС, осуществляющих помимо умножения частоты функции усиления сигналов, фильтрации, коммутации, регулировки уровня мощности и другие. Такие уст ройства позволяют существенно упростить разрабатываемую на их базе РТА и сделать ее более компактной.

Для расширения частотного диапазона источников СВЧ-сигналов (генераторов, синтезаторов, гетеродинов) разработан широкополосный умножитель частоты, преобразующий сигналы диапазона 2-6,6 ГГц в диапазон частот 2-26,4 ГГц [177].

Структурно (рис. 4.3.1) умножитель выполнен на основе каскадирования 4-х полосовых умножителей частоты, осуществляющих удвоение частоты в диапазонах 6,4-9,5 ГГц; 9,3-13,2 ГГц и умножение на 4 (повторное удвоение) в диапазонах 12,8-19 ГГц; 18,6-26,4 ГГц. Для участка выходного диапазона частот 2-6,6 ГГц предусмотрено прямое прохождение сигнала (без умножения частоты) с усилением и возможностью регулировки уровня в пределах 10-15 дБ рш-аттенюатором. Коммутация сигналов осуществляется с помощью/л я-переключател ей.

Для компенсации потерь преобразования используются усилители на полевых транзисторах. К выходам удвоителей частоты диапазонов 6,4-9,5 ГГц; 9,3-13,2 ГГц подключены полосовые фильтры для увеличения подавления нежелательных гармоник входного сигнала.

Базовые элементы устройства - микрополосковые умножители частоты на быстродействующих диодах с накоплением заряда (ДНЗ) с полосой рабочих частот до 30% и потерями преобразования 6-Ю дБ рассмотрены в разделе 4.2.

Умножители обеспечивают примерно постоянные потери преобразования в интервале входных мощностей 50-250 мВт при оптимальном для данного уровня мощности напряжении смещения на ДНЗ. С уменьшением входной мощности до 10-20 мВт эффективность умножителя резко падает, что позволяет не предъявлять жестких требований к развязкам каналов переключателей. В этом случае удовлетворительные характеристики обеспечивают простейшие однодиодные (в каждом плече) / ш-переключатели на диодах 2А553-3, включенных последовательно в разрыв МПЛ.

Усилители мощности выполнены по балансной схеме на полевых транзисторах ЗП608А-5 и обеспечивают мощность на входах умножителей порядка 150-200 мВт.

Конструктивно умножитель СВЧ 2-26,4 ГГц выполнен в виде герметизированной микросборки (рис. 4.3.2) с входным/выходным коаксиальными разъемами сечением 3,5/1,5 мм и НЧ выводами для подключения питания и управляющих напряжений.

Все элементы умножителя (удвоители, усилители, переключатели, фильтры) выполнены на отдельных платформах, встраиваемых в три экранированных отсека корпуса. Габаритные размеры умножителя - 230x80x22 мм.

На рисунке 4.3.3 представлены частотные зависимости выходной мощности умножителя при уровне входной мощности 20 мВт. Выходная мощность в диапазоне частот 2-18 ГГц - не менее 20 мВт и 10 мВт до 26,4 ГГц. Подавление паразитных гармонических составляющих частоты входного сигнала в спектре выходного сигнала - не менее 25 дБ.

Характеристики умножителя измерены при фиксированных для каждого поддиапазона напряжения смещения ДНЗ, которые находятся в пределах ± 4 В. Усилительные каскады умножителя питаются напряжением + 9 В и потребляют ток около 1 А. Уровень выходной мощности в диапазоне частот 6,6-26,4 ГГц изменяется незначительно (менее 1 дБ) при изменении входной мощности от 10 до 30 мВт, так как усилительные каскады работают в режиме насыщения.

Другим вариантом широкополосного устройства является усилитель-умножитель частоты 4-8 / 4-20 ГГц, отличающийся от рассмотренного выше устройства диапазоном входных/выходных сигналов, что дало возможность несколько упростить структурную схему.

Выходной диапазон частот 4-20 ГГц формируется из четырех поддиапазонов:

Разбивка на поддиапазоны выбрана из условия максимального подавления побочных гармонических составляющих входного источника в спектре выходного сигнала при минимальном количестве полосовых умножителей, перекрывающих заданный диапазон.

Конструктивно устройство выполнено аналогично умножителю 2-26,4 ГГц.Выходная мощность умножителя - не менее 10 мВт при Ръх = 5-10 мВт. Подавление паразитных гармоник входного сигнала в спектре выходного сигнала - не менее 25 дБс.

Вариантом пассивного сверхширокополосного умножителя является разработанный умножитель-коммутатор 0,1-18 ГГц. Он предназначен для формирования зондирующего сигнала в диапазоне частот 0,1-18 ГГц в приборах Р4-53 и Р2-83. Умножитель выполнен в виде микросборки с тремя входами (0,1-1,5 ГГц; 1,5-3 ГГц; 3-6 ГГц) и общим выходом 0,1-18 ГГц. В диапазоне частот 0,1-6 ГГц обеспечивается прямое прохождение сигнала с потерями 5-Ю дБ. Диапазон частот 6-18 ГГц формируется умножением частоты на два (6-8 ГГц и 8-11 ГГц) и на три (11-14 ГГц и 14-18 ГГц). Коммутация каналов осуществляется переключателями на pin-диодах. Уровень мощности на выходе - не менее 3 мВт (при Рвх = 200 мВт). Подавление гармоник входного сигнала на выходе - не менее 25 дБ с. На выходе умножи Разработан комплект умножителей частоты на диодах с накоплением заряда (ДНЗ) для формирования спектрально чистых синусоидальных сигналов в диапазоне частот от единиц до десятков ГГц из сигналов задающих источников с частотами в сотни МГц [22].

Структурно (рис. 4.3.4) умножители содержат: входной усилитель мощности (Яр 20 дБ; Рвых 100 мВт); умножитель, выполненный на ДНЗ совместно с полосовым фильтром (ПФі) на полуволновых связанных резонаторах; выходной усилитель мощности (Кр 15 дБ); дополнительный ПФ2 на встречных стержнях или на МПЛ с емкостными зазорами; кольцевой делитель мощности (3 дБ); оконечные усилители-вентили. Использование двух ПФ разной структуры обеспечивает высокий уровень подавления гармоник задающего источника в спектре выходного сигнала. Умножители выполнены на быстродействующем ДНЗ, установленном в щелевом резонаторе, конструктивно совмещенном с ПФ[. Потери умножителей 7-15 дБ. Кольцевой делитель мощности разделяет выходной сигнал на два канала и совместно с оконечными усилителями обеспечивает развязку между выходами. Некоторые модели умножителей имеют один выход.

Умножители выполнены в виде микросборок с коаксиальными входами (выходами) сечением 3,5/1,5 мм. Все функциональные элементы выполнены на поли-коровых подложках. Основные технические характеристики умножителей представлены в таблице 4.3.1.