2-5а. Современная элементная база техники СВЧ. Генераторы, смесители и усилители СВЧ, фильтры. Использования новых электронных компонентов в аппаратуре связи.
2-5а. Современная элементная база техники СВЧ. Генераторы, смесители и усилители СВЧ, фильтры. Использования новых электронных компонентов в аппаратуре связи. |
Как рассматривалось во введении, основная современная компоновка оборудования - наличие внутреннего модуля, устанавливаемого в помещении и внешнего модуля (радиомодуля), устанавливаемого на антенной опоре. Возможность создания внешнего компактного модуля появилась из-за разработки новой элементной базы техники СВЧ.
Прежде всего, вместо громоздких и дорогих волноводных структур, которые использовались раньше, начали применятьь сначала микрополосковую технику, а, затем, так называемую технологию "тонких линий". В микрополосковой технике основу составляют структуры, сформированные на диэлектрике, который покрывает металлическую подложку. Электромагнитные волны распространяются по диэлектрику между структурами и подложкой. На рис. 2-5-1а представлена одна из таких структур - трехдецибельный мост. Это устройство выполняет функцию фазовращателя и развязывающего устройства. На двух выходах моста сигналя сдвинуты на pi/2, а входные сигналы не влияют друг на друга. Действительно, на выход 1 сигнал приходит со сдвигом на четверть волны, а на выход 2 - три четверти волны. Сигнал, проходящий со входа 1, на вход 2 компенсируется противофазным сигналом, проходящим по плечам моста а, z и б. Поэтому, такие мосты часто применяются, например, в смесителях, где сигналы с выходов подаются на смесительные диоды и фильтруются микрополосковым фильтром..
Рис. 2-5-1а
Еще одна простая микрополосковая структура (кольцевой мост) представлена на рис.2-5-2а. В отличие от трехдецибельного моста здесь на выходах 1 и 2 фазы сигналов сдвинуты на 180 градусов.
Рис. 2-5-2а
Еще один микрополосковый элемент - фирритовый циркулятор (рис. 2-5-3а). Циркулятор применяется для развязки отдельных элементов. Сигнал, поданный на порт 1 проходит по часовой стрелке в порт 2. Если подать сигнал в порт 2 - он пройдет в порт 3 и т.д. Для прохождения в обратном направлении сигнал испытывает большое сопротивление. Внизу рисунка приведен пример использования ферритовых циркуляторов для реализации усилителя СВЧ. Развязка между каскадами, выполненными на арсенид-галлиевых полевых транзисторах осуществляется при помощи циркуляторов, у которых порт 3 нагружен на согласованное сопротивление, поглощающее отраженные сигналы. Это обеспечивает устойчивую работу усилителя, выполненного в относительно малых габаритах.
Рис. 2-5-3а
Революционные изменения в технике СВЧ произошли в результате разработки технологии монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC). По этой технологии выполняются твердотельные усилители, преобразователи и генераторы, габариты которых не превышают нескольких квадратных миллиметров. В диапазонах гигагерцовых волн основными усилительными элементами являются транзисторы PHRMT, выполненные на арсениде или нитриде галлия, а размеры микрополосковых элементов исчисляются микрометрами. На рис. 2-5-4а представлена схема одного из усилителей MMIC, его топология и схема включения. Размер усилителя 1.7 х 0.75 мм, а выходная мощность более 100 мВт. Подобный усилитель вполне может быть использован в качестве УСВЧ радиорелейного передатчика.
Рис. 2-5-4а
В технологии MMIC выполняются генераторы СВЧ, в которых стабилизация частоты достигается применением. диэлектрических резонаторов. Диэлектрические резонаторы выполняются из керамики на основе титаната бария и отличаются очень высокой диэлектрической проницаемостью. Отличаются температурной стабильностью и очень малыми размерами. Чаще всего имеют цилиндрическую форму с идеально отполированными плоскопараллельными основаниями. Для диапазонов СВЧ имеют диаметр в пределах 2 - 12 мм, при высоте 2 - 10 мм. Упрощенная схема генератора с диэлектрическим резонатором представлена на рис. 2-5-5а.
Рис. 2-5-5а
Как известно, генератор представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Если усилитель и цепи обратной связи имеют широкую полосу пропускания, то получается импульсный генератор, при узкополосных параметрах - генератор синусоидальных колебаний. В схеме на рис. 2-5-5а рольусилителя выполняет полевой транзистор, обратная связь обеспечивается за счет индуктивной связи между выходной микрополосковой линией и входными элементами транзистора. Положительный знак обратной связи обеспечивается фазосдвигающей цепочкой. Для получения стабильных гармонических колебаний используется диэлектрический резонатор, индуктивно связанный с выходной микрополосковой линией. Пример конструкцивного исполнения генератора СВЧ показан на рис. 2-5-6а.
Рис. 2-5-6а
Подобные устройства применяются в качестве задающих генераторов и гетеродинов в радиомодулях радиорелейного оборудования. Основные требования, предъявляемые к генераторам:
В современном оборудовании генераторы СВЧ являются элементами синтезаторов частоты. Упрощенная структурная схема подобного устройства (рис. 2-5-7а) содержит систему фазовой автоподстройки частоты, в которой сравниваются частоты опорного кварцевого генератора и генератора СВЧ. Генератор СВЧ работает в режиме генератора управляемого напряжением (ГУН). Для обеспечения управления частотой генерации в качестве фазосдвигающей цепочки применяется варикап (варактор), представляющий собой диод, емкость которого зависит от приложенного напряжения. Сигнал генератора СВЧ делится до значения в несколько кГц и сравнивается в фазовом детекторе (ФД) с сигналом сформированным опорным кварцевым генератором. При разнице частот вырабатывается постоянное напряжение, которое управляет частотой генератора СВЧ. Меняя коэффициенты деления частот ручными переключателями или при помощи электронного управления, можно получить стабилизацию режима синтезатора на разных частотах (формируя сетку частот), что обеспечивает перестройку в пределах диапазона.
Рис. 2-5-7а
Применение современных технических решщения позволило резко уменьшить габариты и вес оборудования. Фактически вес радиомодуля определяется весом корпуса, в котором размещаются электронные компоненты. Для примера на рис. 2-5-8а и 2-5-9а показаны внешний вид и внутреннее устройство радиорелейного оборудования Антерум 630. Видно, что приемник и передатчик имеют весьма малые размеры, а основной объем занимает дуплексер. Дуплексер или антенный разветвитель пока является практически единственным элементомрадиорелейного оборудования, который выполняется по волноводной технологии.
Рис. 2-5-8а
Рис. 2-5-9а
Дуплексер предназначен для того, чтобы прием и передача сигнала на радиорелейной станции обеспечивалась одной антенной. Поэтому дуплексер представляет собой два полосовых фильтра, реализованных на волноводных объемных резонаторах и настроенных на частоты приема и передачи. Предполагается, что в ближайшем будущим дуплексеры могут быть реализованы на диэлектрических резонаторах, что позволит резко уменьшить их габариты. Это позволит перейти к планарной конструкции радиомодуля, который может быть выполнен на плоской подложке, с одной стороны которой будут сформированы все электронные компоненты, а с другой - элементы планарной антенны СВЧ.
