автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование и разработка диодных СВЧ преобразователей частоты

005048»*°

На правах рукопис

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

З і ЯНВ 2013

Махачкала - 2013

005048898

Работа выполнена в Дагестанском государственном техническом университете

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Гусейнов Мурад Саидович Официальные оппоненты:

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

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

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

Зашита состоится ¿Ріїф'^Ш» 2013 г. у^ІЙЙасов на заседании диссертационного совета Д212Й38^03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического 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 устройства, преобразующие спектр частот СВЧ сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, или выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ диапазон для передачи к измеряемому объекту.

Для преобразования частоты СВЧ сигналов используются полупроводниковые приборы различного принципа действия и назначения, на основе которых разрабатывается широкая номенклатура преобразователей частоты: детекторы, смесители, стробоскопические преобразователи, умножители, делители, генераторы гармоник, модуляторы.

Наибольшее распространение получили диодные преобразователи частоты. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей 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 преобразователями.

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 паразитных составляющих в спектре выходного сигнала широкополосных (с перекрытием 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 исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна.

Приоритетной целью диссертационной работы является разработка диодных СВЧ преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, обеспечивающих расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы, низкую себестоимость, компактность и простоту производства устройств СВЧ диапазона.

Цель диссертационной работы - разработка автоматизированных методов проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты. Исследование и разработка новых СВЧ устройств с повышенными техническими характеристиками 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 решения задач проектирования преобразователей с высокими характеристиками.

3) Моделирование характеристик диодных СВЧ преобразователей частоты, 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 волнове-дущих структур, которые позволяют определить основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов).

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

3) Предложены, оптимизированы и разработаны структуры комплек-сированных многофункциональных преобразователей в виде гибридных интегральных схем (ГИС) СВЧ, обеспечивающие повышенные характеристики аппаратуры СВЧ.

4) Предложены и исследованы оригинальные структуры малогабаритных, широкополосных диодных СВЧ преобразователей частоты, выполненные на основе сочленений различных видов линий передачи, дающие возможность 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 необходимо выполнять как комплексированных устройств, содержащих фильтрующие элементы в каждом канале.

2) Схемы балансных смесителей, где для передачи сигналов используются комбинации пар волноводных, щелевых, копланарных и других микро-полосковых линий, в которых силовые линии электромагнитных полей имеют ортогональную ориентацию, позволяют осуществлять преобразование СВЧ сигнала на основной частоте гетеродина в диапазоне частот выше 18 ГГц.

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

4) Общие принципы выбора оптимальных конструкций широкополосных 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 базовых микрополосковых и волноводно-микрополосковых конструкций преобразователей 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 различных типов волноведущих структур, основанные на комплексном использовании результатов аналитических, автоматизированных и экспериментальных исследований.

Практическая значимость результатов работы:

1) Предложенные в работе методы проектирования могут быть использованы для разработки базовых микрополосковых и волноводно- микрополосковых 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 рассчитывать все основные характеристики диодных СВЧ преобразователей частоты во временной и частотной областях.

3) Применение предложенных методов и алгоритмов позволяет повысить качество и существенно сократить сроки проектирования диодных преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

На Всероссийских НТК:

«Исследование, разработка и применение средств радиоэлектроники, телекоммуникаций и информационных систем в промышленности», Махачкала, ДГТУ, 2011;

«Средства радиоэлектроники, телекоммуникаций, информационных систем 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);

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

Публикации: Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 20 статьях и докладах, среди которых 7 статей в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне 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 наименований. Объем диссертации составляет 156 страниц, включая 136 страниц основного текста, 35 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационной работы рассмотрено современное состояние методов проектирования и уровень технического развития диодных СВЧ преобразователей частоты, проанализированы особенности их применения 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, рекламируемых многими зарубежными фирмами и разработанных предприятиями отечественной промышленности, вопросы проектирования смесителей, оптимально 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 количеством используемых нелинейных элементов, схемой, конструкцией и технологией изготовления, уровнем технических параметров и условиями эксплуатации.

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 распределенными параметрами. Поэтому выбор схемы умножителя и расчет ее элементов производится, как правило, приближенно, с учетом последующей экспериментальной доводки, исходя из требований к значениям ограниченного числа параметров, удовлетворение которых гарантирует решение определенных задач.

Поиск оптимальных конструкций широкополосных умножителей мм-диапазона, работоспособных до сотен гигагерц, разработка методов их расчета и проектирования, а также методов настройки и контроля параметров являются актуальными и тоже входят в задачу исследования

В настоящее время в связи с широкой номенклатурой приборов на основе арсенида галлия и усложняющимися требованиями к аппаратуре СВЧ диапазона создаются суперкомпоненты, содержащие: СВЧ генераторы, усилители, смесители, переключатели, изоляторы, фильтры, аттенюаторы, схемы управления, питания и другие. Функциями суперкомпонентов являются: усиление сигналов, модуляция, ограничение, генерация, фильтрация, преобразование частоты, переключение, ответвление и т.д. Необходимость исследования, поиск оптимальных структур и разработка многофункциональных преобразователей частоты вызвана одной из современных тенденций развития аппаратуры СВЧ диапазона - созданием многофункциональной измерительной аппаратуры.

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

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

В заключении главы 1 сформулированы основные выводы и задачи исследований 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 следующем:

1. Выбор общей конструкции смесителя.

2. Выбор структуры и расчет конструктивно—технологических параметров фильтров исходя из требуемых характеристик.

3. Оптимизация конструктивных элементов смесителя для достижения заданных параметров.

В работе проработаны два варианта конструктивного выполнения смесителей:

- смеситель проходного типа с формированием противофазного сигнала гетеродина щелевым резонатором;

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

Конструкция балансного смесителя проходного типа показана на рис. 1

Основа конструкции -последовательное соединение двух микрополосковых фильтров: входного полосового (на связанных полуволновых резонаторах или шлейфо-вый — 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 возбуждения диодов сигналом гетеродина он формируется щелевым резонатором (электрическая длина Хг /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

| Вход к шала I сигнала гетеродина

Рис. 1- Конструкция смесителя проходного типа

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 обеспечивает хорошую развязку между каналом гетеродина и входом СВЧ сигнала (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 потерями 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 выходных 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 вызывает необходимости расширять полосу заграждения за счет включения дополнительных ФНЧ, так как входные МШУ, предусмотренные структурой конверторов, внесут заметное ослабление (>20 дБ) на частотах выше их рабочего диапазона. Благодаря этому требования к вносимому ослаблению ПФ в полосах приема по ЗК и выше могут быть ослаблены до ~ 25 дБ, что существенно 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 смесителя с =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. Оптимальным вариантом представляется реализация фильтров на кварцевой подложке толщиной 0,3 мм, в диапазоне частот 18-26 ГГц структура ПФ - на четвертьволновых закороченных шлейфах; в диапазоне частот 38-42 ГГц - на

полуволновых связанных резонаторах.

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

Для оптимизации характеристик смеситель представлялся в виде модели показанной на рис. 2. Конструктивно-топологические параметры - входного ПФ — структура на четвертьволновых закороченных шлейфах и выходного - ФНЧ — на индуктивно- емкостных отрезках МПЛ.

Рис.2- Модель смесителя проходного типа

Между точкой подключения диодов и выходным ФНЧ вводится отрезок МПЛ (\¥2, 12) с целью образования пучности напряжения входного сигнала (на средней частоте) в точке подключения диодов при отражении от ФНЧ.

Между входным ПФ и точкой подключения диодов тоже введен отрезок МПЛ (\У1, 11) для предотвращения шунтирования входным ПФ напряжения ПЧ. Возбуждение диодов смесителя моделируется подключением источника гетеродина через высокодобротные полосовые фильтры, обеспечивающие беспрепятственное прохождение сигнала гетеродина и короткое замыкание на входе для входного СВЧ сигнала и выходного ПЧ. Полосовые фильтры в тракте гетеродина являются вспомогательными элементами, смоделированными на сосредоточенных Ь, С-элементах, для имитации реального режима работы смесителя. Оптимизация смесителя заключается в вариации топологических параметров в заданных пределах (длины и ширины отрезков МПЛ (11, \У1) (12, \\^2) и ближайших к точке подключения диодов элементов фильтров (\¥пф, 1ПФ), ^фнч, 1фнч) с целью достижения минимальных потерь преобразования в рабочем диапазоне частот.

С учетом выше изложенных требований выполнено проектирование смесителей проходного типа на 18-26 ГГц (^ = 32 ГГц), на 26 - 38 ГГц (£ = 44 ГГц) и на 37 - 42 ГГц (£. = 48 ГГц).

Результаты проектирования были использованы при создании экспериментальных образцов смесителей верхней части см- и мм- диапазонов. На рис. 3 приведены результаты расчета величины потерь преобразования от частоты при различных мощностях гетеродина (Рг =0 дБм, 5дБм, ЮдБм, 15дБм).

Ап*оП Согрог«1ки1 - Нагпмхмса €> «8.0 МЛМ

4Е)(ТС31<Н1-Н1.Н0+Н1:

Рис.3- Потери преобразования при различных Рг

Таким образом минимальные и равномерные потери преобразования реализованы при мощности Рг=5дБм и составляют не более 7дБ. Неравномерность потерь преобразования при Рг=5дБм не превышает ~ЗдБ во всем диапазоне частот (18-26 ГГц).

Предложенная в работе конструкция балансного смесителя с диплек-

Плата смесителя

Вход СВЧ (пгалла

Болноводко

-щелевой перетод

сером в тракте входного сигнала показана на рис. 4.

Входной СВЧ сигнал подается синфазно на диоды балансного смесителя через полосовой многозвенный фильтр. Сигнал гетеродина через волно-водно-щелевой переход возбуждает короткозамкнутую щелевую линию. К ее точкам, удаленным от короткозамкнутого конца на У^А, подключены диоды.

Входной ПФ и выходной ФНЧ образуют диплексер для развязки каналов смесителя.

Для расчета и оптимизации характеристик и конструктивно - топологических параметров смесителей использовались результаты проекти-Рис.4- Конструкция смесителя с диплексером рования ПФ и ФНЧ смесителей проходного типа (рис. 1). Особенностью проектирования смесителей данной конструкции (с диплексером) является необходимость оптимизации топологии диплексера прежде, чем оптимизировать характеристики смесителя. На рис. 5 представлена топология диплексера для смесителя 37-42 ГГц.

Выход сіігкала ПЧ

Рис.5-Топология диплексера

Рис. 6- Схема смесителя с диплексером

Оптимизация диплексера заключается в отыскании оптимальных параметров (длины и ширины) отрезков МПЛ «1» и «2» для обеспечения требуемых характеристик шестиполюсника:

|331| й 1 дБ в диапазоне частот входного сигнала;

|82з| £ 1 дБ в диапазоне ПЧ;

|821|> 40дБ в диапазонах входного сигнала и ПЧ;

|$1з|, 18231 >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 обеспечения 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. 7

АлюП Сегрогюоп - Наппеше» & */6.0 132426 ^

d3fTG31cH1.Hl.HG-Р2<НННО=-=5(!0!11

аа У1 I

ав(тезкн1-н1.но-

Р2<Н1+Н0>=10аВгт

ээ П —.....

ав|т031<и|-н1.н[|-

Р2<Н1+Н0>=15Ч8п-

Рис. 7- Потери преобразования при различных Рг

Оптимальная мощность гетеродина Рг ~ 6 дБм для реализации минимальных 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 невысоких 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 наблюдается только в тех участках диапазона частот, где входные МШУ внесут дополнительные потери не менее 30 дБ. Характеристики нелинейных искажений показывают, что максимальный уровень мощности на входе смесителя не должен превышать -15 - -20 дБм для ослабления интермодуляционных искажений 3-го порядка не менее 50 дБс.

Относительно малый уровень компрессии и подавления гармонических и интермодуляционных искажений связан с минимизацией при расчёте характеристик смесителей требуемого уровня мощности гетеродина (Рг ~ 5 - 7 дБм), что продиктовано минимальными затратами при реализации источников 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 особенностями.

13

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

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

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 умножителей миллиметрового диапазона позволил выделить некоторые общие принципы выбора оптимальных конструкций:

- ортогональность полей входного и выходного сигналов (при возможности);

- 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,

Удвоитель частоты выполнен в виде комбинации двух линий передачи: входной -копланарного 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 «земляные» обкладки копланарного волновода замкнуты перемычкой на расстоянии (Ь) от плоскости включения диодов, образуя отрезок линии У А 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 волны.

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

приведена на рис.8.

Рис.8- Эскиз конструкции удвоителя частоты

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 расчета осуществлялся подбор основных конструктивно-топологических элементов: длины и ширины щелевого резонатора и отрезков МПЛ, параметров копланарной линии.

В результате расчета удвоителя были получены следующие характеристики:

- равномерность выходной мощности - 1дБ;

- потери преобразования не более -10дБ;

- подавление побочных гармонических составляющих на выходе умножителя во всем диапазоне при неидентичности параметров диодов порядка 10% составляют: первая гармоника - 35дБ, третья гармоника - 40дБ, четвертая гармоника - 30дБ

Предложенная в работе конструкция микрополоскового утроителя частоты, обладающая естественной симметрией и развязкой входного и выходного трактов, приведена на рис. 10.

Рис.9- Модель удвоителя частоты

Вытй 12- 19.2 ГПі

втіх) 12 - 19,2 IT),

Bxtxi J ',.4 ГГц

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, подключены 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.

15

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

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 характеристики:

- Равномерность выходной мощности - 1дБ

- Потери преобразования не более - 15дБ

- Подавление побочных гармонических составляющих на выходе умножителя во всем диапазоне при неидентичности параметров диодов порядка 10% составляют: вторая гармоника - 27дБ, четвертая гармоника - 25дБ, пятая гармоника - 25дБ.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию диодных СВЧ преобразователей частоты.

Проведено экспериментальное исследование основных характеристик двух типов смесителей в диапазонах частот 18-26 ГГц и 37 - 42 ГГц, умножителей частоты в диапазонах 12 - 19,2 ГГц и 26 - 40 ГГц и многофункциональных 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, 32 ГГц и Рг~ 8,5 дБм.

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

в-ту, ; v її

т

Рис. 11- Модель микрополоскового утроителя частоты

і

Рис. 12- Потери преобразования смесителей проходного типа 18-26 ГГц

На рис.13 приведены результаты измерения потерь преобразования смесителя с диплексером 18-26 ГГц.

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

Измерения проведены при Рс= -10 дБм, , 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, fr= 48 ГГц и Pr ~ 10 дБм. В смесителе использована микросборка смесительных диодов (ННИПИ «Кварц»).

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

В качестве нелинейных элементов использованы серийно выпускаемые умножительные диоды с барьером Шотки (ДБШ 3A643).

Макет утроителя частоты 12-19,2 ГГц был изготовлен на умножитель-ных диодах (типа 3A643B-3) на базе Нижегородского научно-исследовательского приборостроительного института «Кварц».

Также выполнено экспериментальное исследование многофункционального 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 сделать 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 A.M., Мирзаев З.Н., Исаев М.Д. Расчет и проектирование смесителя проходного типа 18-26 ГГц // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. -Т.6, № 11. -С. 119-122.

[2] Мирзаев З.Н., Щитов A.M., 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 умножитель частоты на связанных микрополосковых линиях передачи // Вестник Дагестанского государственного технического университета, 2010. -№19. - С. 7-11.

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

[5] Гусейнов М.С., Мирзаев З.Н., Щитов A.M. Расчет широкополосного по-лосно-пропускающего фильтра (12-19,2 ГГц) с короткозамкнутыми четвертьволновыми шлейфами // Вестник Дагестанского государственного технического университета, 2012. -№22. - С. 18-23.

[6] Мирзаев З.Н. , Щитов A.M., Комягин Р.В. Широкополосный умножитель частоты 4-6,4/12-19,2 ГГц // Наука и образование (МГТУ им. Н.Э. Баумана) (электронный журнал), 2012. № 11. -С. 70-76.

[7] Мирзаев З.Н., Щитов A.M., Гусейнов М.С. Широкополосный балансный 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 доплеров-ского радиомаяка // Сборник докладов XXVIII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. — Махачкала ДГТУ, 2007. - 4.1. - С. 229-230.

[9] Мирзаев З.Н. Балансный модулятор на объемных интегральных схемах // Сборник докладов XXIX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. - Махачкала ДГТУ, 2008.-4.1.-С. 302-303.

[10] Мирзаев З.Н., Казиев P.M. Моделирование- информационно-измерительных систем в среде Electronics Workbench // Сборник докладов XXX итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. - Махачкала ДГТУ, 2009. - 4.1. - С. 294.

[11] Мирзаев З.Н., Исаев М.Д. Расчет параметров микрополосковых полосовых 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 XXXII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов 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 XXXII итоговой научно-технической конференции преподавателей, сотрудников, аспирантов и студентов ДГТУ. — Махачкала ДГТУ, 2011. - Ч. 1. - С. 270-271.

[14] Мирзаев З.Н., Касаткина Е.Г. Расчет параметров связанных микрополосковых линий, используемых в варакторных умножителях частоты (статья) // Исследование, разработка и применение средств радиоэлектроники, телекоммуникаций и информационных систем в промышленности: матер. Всерос. науч.-тех. конф. — Махачкала: ДГТУ, 2011. — С. 272-274.

[15] Мирзаев З.Н., Гусейнов М.С. Расчет широкополосных согласующих цепей лестничной структуры (статья) // Средства радиоэлектроники, телекоммуникаций, информационных систем и их применение: матер. Всерос. науч.-тех. конф. - Махачкала: ДГТУ, 2012. - С. 163-166.

[16] Мирзаев З.Н., Гусейнов М.С. Расчет элементов широкополосной согласующей цепи в диапазоне 4-6,4 ГГц (статья) // Средства радиоэлектроники, 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 1/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 143

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭ-

ТУ «ЛЭТИ»

Издательство СП6ГЭТУ"ЛЭТИ" 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дагестанский государственный технический университет»

042013561 '3 На правах рукописи

Мирзаев Зайнудин Нурмагомедович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ДИОДНЫХ СВЧ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доцент Гусейнов М.С.

Махачкала - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................4

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ СВЧ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ... 14

1.1 Особенности применения микрополосковых диодных преобразователей частоты в аппаратуре СВЧ диапазона..................................................................14

1.2 Анализ методов расчета и проектирования схем и конструкций СВЧ преобразователей частоты.......................................................................................20

1.2.1 Смесители..................................................................................20

1.2.2 Умножители частоты....................................................................34

1.2.3 Многофункциональные преобразователи частоты................................47

1.3 Вопросы автоматизации проектирования СВЧ преобразователей частоты....49

1.4 Выводы - задачи исследования..........................................................58

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ СМЕСИТЕЛЕЙ..................................................................................59

2.1 Смесители проходного типа...................................................................60

2.2 Смесители с диплексером.................................................................80

2.3 Анализ результатов расчёта смесителей.....................................................82

2.4 Выводы.........................................................................................84

ГЛАВА 3 РАСЧЕТ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СВЧ

УМНОЖИТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ................................................................................86

3.1 Балансный удвоитель частоты на ДБШ................................................86

3.2 Балансный утроитель частоты на ДБШ................................................91

3.3 Выводы...........................................................................................106

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МИКРОПОЛОСКОВЫХ ДИОДНЫХ СВЧ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ...............108

4.1 Смесители проходного типа, смесители с диплексером..............................108

4.2 Удвоители частоты на ДБШ............................................................110

4.3 Утроители частоты на ДБШ............................................................112

4.4 Многофункциональные ГИС на базе умножителей частоты.....................114

4.4.1 Умножитель частоты 0,5-16 ГГц....................................................114

4.4.2 Умножитель частоты на 32 ГГц, 48 ГГц, 44 ГГц....................................116

4.5 Выводы..........................................................................................119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................121

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ Результаты расчета и оптимизации смесителей различных диапазонов...................................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

В технике измерений на СВЧ постоянно повышаются требования к радиоизмерительной аппаратуре. Необходима высокая точность, освоение более высоких частот, широкополосность и быстродействие. В последние годы благодаря развитию преобразователей частоты разрабатываются новые СВЧ устройства.

Преобразователи частоты это входные приемные устройства, преобразующие спектр частот СВЧ сигналов в сравнительно низкочастотный диапазон промежуточных частот, или выходные устройства, преобразующие информационные сигналы из низкочастотной области в СВЧ диапазон для передачи к измеряемому объекту.

Наибольшее распространение получили диодные преобразователи частоты. До настоящего времени они являются основным типом преобразователей 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 преобразователями.

Из всего многообразия диодных преобразователей частоты, в настоящей работе рассматриваются следующие устройства: смесители, умножители частоты и многофункциональные преобразователи частоты. Эти устройства позволяют расширить частотный диапазон, увеличить широкополосность, повысить чувствительность, расширить динамический диапазон аппаратуры, которые способствуют дальнейшему прогрессу в совершенствовании техники средств связи, в исследованиях и разработках элементов полупроводниковой электроники, в технике антенных измерений, в разработках аппаратуры СВЧ диапазона.

Использование смесителей для супергетеродинных приемников диапазона СВЧ позволяет получать характерные промежуточные частоты 20.. ..300

МГц, однако в отдельных современных приемниках используется двух- или трехкратное преобразование частоты и первая промежуточная частота может достигать 1.. .2 ГГц и выше (в приемниках диапазона миллиметровых волн).

К смесителям предъявляются следующие требования: высокая чувствительность устройства (определяющая обнаружительную способность приемника), характеризующаяся малой величиной коэффициента шума, что соответственно требует минимальных потерь преобразования смесителя и собственных шумов входящих активных элементов; широкая полоса рабочих частот, которая в основном зависит от конструкции смесителя; хорошее подавление ложного сигнала по зеркальному каналу, а также комбинационных составляющих частотного спектра, что в свою очередь также требует большой развязки между полюсами; большой динамический диапазон принимаемых сигналов, характеризуемый как активными элементами, так и схемным построением смесителя; относительно низкая требуемая мощность гетеродина, которая определяется как качеством диодов, режимом их работы, так и конструктивным исполнением смесителя. Таким образом, выполнение требований зависит от качества выбранных активных элементов, режимов их работы, схемных и конструктивных построений.

Основные принципы построения умножителей частоты остаются, конечно, справедливыми и в СВЧ диапазоне. Однако способы их реализации специфичны для этого диапазона и могут заметно варьировать для дециметровой, сантиметровой и миллиметровой областей.

Энергия входного и выходного колебаний передается с помощью соответствующих линий передачи; фильтрация колебаний выполняется СВЧ резонаторами — коаксиальными, волноводными и другими. Для согласования импедансов также используются специальные согласующие СВЧ устройства.

Выбор линий передачи, резонаторов, типа варактора, согласующих устройств и способов размещения варактора в системе - таковы основные факторы, характеризующие конкретный умножитель.

Использование многофункциональных преобразователей частоты,

объединяющих различные функциональные элементы, позволяет существенно уменьшить габариты и массу радиоаппаратуры, снизить электропотребление, повысить надежность и улучшить технические характеристики. Круг задач, решаемых с применением комплексированных устройств сантиметрового (см-) и миллиметрового (мм-) диапазонов длин волн быстро расширяется. Это - создание синтезированных гетеродинов и широкополосных источников сигналов с быстрой перестройкой частоты, преобразователей частоты - входных каскадов радиоприемных устройств (РПУ) и аппаратуре СВЧ диапазона, приемо-передающих модулей в системах радиосвязи и т.д. При разработке многофункциональных устройств возникает ряд сложных технических задач, связанных с оптимальным выбором структурной схемы, тщательной отработкой конструкции для исключения взаимного паразитного влияния различных элементов, с обеспечением максимального количества функциональных возможностей и универсальности для различных применений. Максимальный эффект от использования многофункциональных СВЧ устройств связан с их внедрением в РЭА массового производства: системы радиосвязи, радиолокации, навигации, аппаратура СВЧ диапазона.

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 паразитных составляющих в спектре выходного сигнала широкополосных (с перекрытием 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,

непригодны. Требуется их доработка (адаптация) под конкретную задачу. Таким образом задача теоретического и экспериментального исследования и проектирования преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, решению которой посвящена настоящая диссертационная работа, актуальна.

Качественный скачок в повышении характеристик преобразователей частоты и аппаратуры СВЧ диапазона, например, расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габаритов и массы невозможен без перехода на новую элементную базу, применения новых типов линий передачи и их соединений, внедрения новых технологий в проектирование и производство, использования новых принципов преобразования частоты.

Основы теории и методов расчета преобразователей частоты разработаны в конце 50-х годов [1-6], но и сегодня по вопросам анализа, расчета и автоматизированного проектирования преобразователей публикуется большое количество работ [7-12], что свидетельствует об их актуальности, и связано с тенденциями расширения диапазона частот, использованием новой элементной базы, новых конструктивно-технологических решений в проектировании преобразователей.

Вопросы анализа и расчета простейших схем умножителей частоты (УЧ) см-диапазона на различных нелинейных элементах сегодня представлены в обширной литературе [19, 61-63, 84-100]. Однако, несмотря на обилие различных методов (аналитических и машинных) анализа умножителей частоты СВЧ диапазона, задача их проектирования, как отмечается в монографии И.Х. Ризкина [84], достаточно сложна, обычно решается итеративно, и важную роль играют экспериментальные исследования и практическая «доводка» реализованной схемы.

Актуальность развития технологии СВЧ схем определяется тем, что их использование позволяет значительно улучшить качественные характери-

стики радиоэлектронных систем гражданского и военного назначения.

Помимо сложных технологических проблем, создание СВЧ преобразователей частоты требует также решения задач проектирования аппаратуры СВЧ диапазона. В частности, важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точность моделирования СВЧ схем в заданном частотном диапазоне. Для этого в распоряжение пользователя должны быть предоставлены достаточно точные модели элементов, отражающие особенности технологии, используемой при изготовлении устройств.

К сожалению, существующие САПР СВЧ цепей в недостаточной степени снабжены моделями элементов. Поэтому при разработке СВЧ схем требуется организация серьезной работы, направленной на создание библиотек моделей элементов с учетом конкретной технологии изготовителя. Эта работа связана с выбором типов моделей, подбором их параметров и верификацией в необходимом частотном диапазоне. При разработке отечественной технологии изготовления СВЧ схем такие библиотеки требуется создать заново.

Другой важнейшей проблемой является выбор (синтез) принципиальной схемы СВЧ схем, удовлетворяющей поставленным требованиям. Решение этой задачи требует очень квалифицированных кадров, так как проектировщик должен обладать знаниями в области схемотехники, СВЧ техники. В настоящее время выбор схемы осуществляется наиболее часто на основе опыта разработчика, применения упрощенных инженерных методик расчета, методом проб и ошибок и т.д. это делает процесс проектирования СВЧ схем длительным и трудоемким.

Перспективным путем для решения задачи выбора (поиска) схемных решений является использование методов и программ синтеза. К сожалению, существующие программы не позволяют осуществить синтез СВЧ цепей непосредственно на элементах. Проблема состоит в том, что известные методы синтеза и расчета цепей приводят к схемам, содержащим идеальные пассивные элементы. Однако реальные элементы обладают потерями

и паразитными параметрами, изменяющими характеристики.

Естественно, построение моделей элементов может быть осуществлено только после того, как отработана технология изготовления элементов и проведены их измерения.

Однако в настоящее время технология изготовления СВЧ схем находится в стадии отработки, не для всех типов элементов технологические процессы в достаточной степени отработаны и стабильны. Поэтому вопросы построения моделей конкретных типов элементов СВЧ схем, выполняемых по технологии предприятий, в настоящей работе решались по мере того, как внедрялась и отрабатывалась технология их изготовления.

В то же время многие проблемы, относящиеся к данной работе, не связаны с особенностями конкретной технологии. К ним относятся, в частности, разработка методик и алгоритмов для получения математических моделей элементов, для повышения эффективности моделирования и оптимизации СВЧ схем, разработка алгоритмов и программного обеспечения для структурного синтеза СВЧ схем и др.

Для сокращения времени указанные вопросы целесообразно решать параллельно с работой по построению моделей элементов по технологии предприятий. Проверку разработанных методик, алгоритмов и программ можно проводить на примере уже отработанных технологий изготовления СВЧ схем, по которым имеется достаточная информация. После создания библиотек моделей элементов, изготавливаемых на базе предприятий, указанные методики и программы могут быть применены для проектирования отечественных СВЧ схем.

Приоритетной целью диссертационной работы является разработка диодных СВЧ преобразователей частоты с повышенными техническими характеристиками, обеспечивающих расширение верхней границы рабочего диапазона частот с единиц до сотен гигагерц, уменьшение в несколько раз габа-

ритов и массы, низкую себестоимость, компактность и простоту производства устройств.

Цель диссертационной работы - разработка автоматизированных методов проектирования диодных СВЧ преобразователей частоты. Исследование и разработка новых СВЧ устройств с повышенными техническими характеристиками 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 с см и мм диапазонах.

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

3) Моделирование характеристик диодных СВЧ преобразователей частоты, 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 волнове-дущих структур, которые позволяют определить основные характеристики умножителей (потери преобразования, входные и выходные импедансы, уровни подавления паразитных сигналов).

2) Разработаны новые модели смесителей на основе современных программ моделирования СВЧ устройств, позволяющие определить основные характеристики смесителей проходного типа и смесителей с диплексером

(потери преобразования, неравномерность потерь преобразования, ослабление побочных каналов приёма, нелинейные искажения)

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

4) Предложены и исследованы оригинальные структуры малогабаритных, широкополосных диодных СВЧ преобразователей частоты, выполненные на основе сочленений различных видов линий передачи, дающие возможность работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах.

Основные методы исследования:

а) Теоретические: методы теории цепей, компьютерное моделирование.

б) Экспериментальные

Научные положения, выносимые на защиту:

1 ) Хорошую точность п�