CS929284A2 - Microwave symmetrizer for mixers and modulators - Google Patents

Description

- 7-

Vynález se týká mikrovlnného symetrizátoru pro směšovače a modulátory s vlnovody příčně elektromagnetických vln, sestá-vajícího ze dvou reaktančních sekcí druhého řádu o elektrickýchdélkách odpovídajících čtvrtině vlnové délky vysokofrekvenčníhosignálu a obsahujícího nesymetrický vstupní port a symetrickývýstupní port.

Symetrizátor je elektrický obvod přenášející signál Xyso- í kém kmitočtu z nesymetrického vstupu k symetrickému výstupu s mini-málními ztrátami, s požadavkem co nejšíršího přenosového pásmaa vysokoimpedanční transformace. Symetrizátor, používaný nejenpro symetrickou zátěž, ale i pro symetrizovaný pár nesymetrickýchvýstupů, na nichž mají vysokofrekvenční signály stejné amplitudy,ale opačné fáze, tvoří integrální část mikrovlnných symetrickýchsystémů, jako jsou směšovače, modulátory, zeslabovače, spínači?a jiné nebo se používá jako samostatná jednotka dodávající vysoko-frekvenční signál k symetrickým zátěžím či vstupům nebo výstupůmsymetrických systémů. Všechny tyto typy systémů jsou velmičasto vyráběny technikou mikropásků, což umožňuje jejich integracive formě hybridních nebo monolitických integrovaných obvodů. Toje důsledkem vlastnosti mikropásů spočívající v koncentraci poleelektromagnetické vlny v prostoru pod povrchem pásku při značnémzkrácení vlnové t(élky v dielektrickém podkladě a v udržení rovinnostistruktury se snadným přístupem k hornímu povrchu obvodu pro hyb-r-i dněpřipojené prvky, zatímco spodní strana tvoří základní desku.Odtudje žádoucí dodržovat stukturu mikropáskového typu obvodu ronejpřesněji. 2

Mezi dosud používanými symetrizátory je třeba si všimnout dvou, z nichž jeden je známý jako Marchandův symetrizátor adruhý jako Mouwův symetrizátor. a

Marchandův symetrizátor sestáyý ze dvou sekcí. Každá sekce je sestavena ze dvou koaxiálních vedení, přičemž jedna je umístě-na koaxiálně v druhé. Obě sekce jsou navzájem spojeny vnějšímivodiči vnějších vedení. Vnitřní vedení jsou ustavena dvoučtvrío-vými sekcemi vnitřních koaxiálních vedení, přičemž jejich vnitřnívodiče jsou navzájem spojeny ve středu a uvnitř symterizátorua jeden z jejich koncuje připojen ke vstupu vnějšího koaxiálníhovedeni, zatico druhý konec zůstává otevřený vůči zemi. Vnitřníkonce vnějších vodičů těchto vedení jsou spojeny se symetrickýmvnějším výstupním vedením vedoucím k symetrické zátěži obvodu,zatímco jejich vnější konce jsou zkratovány na zem. Marchandů»symetrizátor výtečně splňuje funkční požadavky jak pokud jdeo šířku pásma, tak pokud jde o impedanční transformaci. Jeho přenosové pásmo může přesáhnout dokonce tři oktávy na zátěžích, h zvolených v rozsahu od 50 ojmů do 200 ohmů. Je to jeden z nej-starších mirkovlnných obvodů tohoto typu, který se stále používáa stále zlepšuje. Je široce používán pro napájení širokopásmovýchsymetrických antén. Je nicméně neaplikovatelný v symetrickýchsystémech dříve zmíněných z důvodu struktury koaxiálního typua relativně velkých rozměrů, zvláště pokud se uvažuje průřez.

Jeho aplikace si vynucuje použití vlnovodů koaxiálního typu prosystémy s ním přímo spolupracující, což není vždy akceptovatelnéa určitě to není slučitelné s požadavkem na integraci systému. - 3 -

Mouwův symetrizátor zlepšený Hallfordern je poměrně nedávnákonstrukce. Sestává ze tří vodivých symetrických páskových vedení,z nichž jedno, vstupní, je vytvořeno na horní straně dielektrickéhopodkladu a druhé dvě, výstupní, jsou umístěny pod ním a jsou vytvo-řeny na spodní straně nosného podkladu. Vnější konce výstupníchvedení jsou zkratovány se zemí, která je vytvořena metalizovanourovinou přiléhající ke spodní straně podkladu. Mouwův symetrizátormá více aplikací v symetrických systémech než Marahandova konstrukcesymetrizátoru. Částečně plní požadavky na rovinnost, čímž je poně-kud blíže struktuře mikropáskového typu. Ačkoliv jeho širokopásmo-vá a transformační vlastnosti nedosahují vlastností Marchalovykonstrukce, jsou dosti dobré pro potřeby konstrukce širokopásmovýchsystémů přesahujících jednu oktávu.

Jeho nevýhodou nicméně je nutnost použití vedení na obou stra-nách podložky, v důsledku čehož systém nemůže být na jedné straněpřipevněn k zemi. Poněvadž Mouwova konstrukce může nabídnout ome-zený výběr průřezových rozměrů a v důsledku toho získání požado-vané výkonnosti, může být použita prouze pro několik zvolených typů s symetrických Systémů.

Mezi dalšími příklady, které nebyly výše zmíněny, je zdeprstencový hybridní propojovací člen nazývaný také etoosmdesáti-rstupňový hybrid, který splňuje požadavky jak na strukturu mikro-páskového typu, tak na rovnoměrnou dělbu vysokofrekvenčních signálůdo dvou výstupů v opačných fázích, ale jeho kmitočtové pásmodosahuje pouze 20 až 30 procent kmitočtu středu pásma a možnostijeho přizpůsobení v širokém rozsahu zatěžovacích impedancí jsou malé 4

Navíc má nevýhodu nepohodlného uspořádání výstupních portů, které zabraňují jeho použití pro jednu symetrickou zátěž a jehoaplikace jsou omezeny na symetrický pár nesymetrických výstupů. Výše popsané příklady nevyčerpávají existující typy reali-zace konstrukcí symetrizátoru, ale ukazují již popsaný trendk význačným rozdílům mezi používanými vlnovody a požadovanýmivlnovody mikropásmového typu, například ne pouze při použitíkoaxiálních vedení ale také koplanárních vedení nebo závěsnýchvedení nebo štěrbinových vedení nebo žebrových vedení. Realizacísymetrických systémů v těchto technikách je mnoho, ale vyžadujíformování systému buň na obou stranách podložky nebo na jejíjedné straně, přičemž jsou vždy charakterizovány tím, že spodnístranu obvodu není možno upevnit na zem, poněvadž prostor zadielektrickou podložkou na jeho obou stranách, omezený krytem,je integrální částí vlnovodu. Takové systémy mají velkou praktickou důležitost pro konstrukce kombinované s technikou vlnovodů, alenejsou vhodné pro integraci.

Uvedené nevýhody dosavadních provedení odstraňuje a stu- pen integrace mikrovlnných obvodu zvyšuje symetrizator podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že každá sekce obsahujedva mikropáskové vlnovody; z nichž první vlnovod je uložen nahorní straně spodního vrstveného podkladu opatřeného metalizacíspodní strany, a druhý vlnovod je uspořádán souběžně s prvnímvlnovodem a je od něj oddělen horním vrstveným podkladem, párvstupních vlnovodů, vždy po jednom z každé sekce je vzájemněpropojen svými přilehlými konci, zatímco jeden ze zbývajících 5 konců je připojen ke vstupu a druhý konec je ukončen odrazovýmprvkem vysokofrekvenčního signálu, kdežto pár výstupních vlno-vodů vytváří svými dvěma konci, vždy po jednom z každé sekce,pár svorek výstupního portu pro připojení efektivně vyváženézátěže, kdežto oba zbývající konce výstupních vlnovodů jsouukončeny odrazovým prvkem vysokofrekvenčního signálu, přičemž fázeodrazových prvků výstupních vlnovodů jsou si vzájemně rovny a jsouopačné hodnoty než fáze odrazových prvků výstupních vlnovodůjsou si vzájemně rovny a jsou opačné hodnoty než fáze odrazovýchprvků vstupních vlnovodů.

Provedení symetrizátoru podle vynálezu má mnoho výhod. Svýmivlastnostmi přesně odpovídá obdobným prvkům s rovinnou struktu-rou mikropáskového typu. Splňuje požadavky na širokopásmovouvýkonnost až do tří oktáv včetně v širokém rozsahu transformační,impedance. Navíc má topologicky výhodné umístění svorek výstupníchportů, díky čemuž umožňuje jednoduché aplikace jak pro soustředě-nou symetrickou zátěž, tak pro symetrický pár nesymetrickýchvýstupních portů. Umožňuje také komplementární provedení nahraze-ním konců zkratovaných se zemí zapojenými naprázdno a konce zapo-jené naprázdno konci zkratovanými se zemí, což jest důiežité prokooperaci s různými aplikačními systémy. Je geometricky kompaktnía prostorově úsporné konstrukce, v důsledku čehož minimalizujehodnoty parazitických reaktančních prvků.

Popsaná konstrukce symetrizátoru je zvláště výhodná provýrobu jak při použití technologie tenkých vrstev, tak mono-litické technologie a navíc má relativně malé rozměry a zabírá - 6 - malý prostor, v důsledku čehož vytváří nové možnosti velmidobrého stupně integrace složitých symetrických mikrovlnnýchsystémů, zvláště směšovačů a modulátorů. Předmět vynálezu bude dále podrobněji popsán pomocí přilo-žených výkresů na nichž na obr. 1 je znázorněn příklad provedenísymetrizátoru podle vynálezu, na obr. 2 je alternativní provedenís vnějšími konci výstupních vlnovodů zkratovajřmi vůči zemi,na obr. 3 je znázorněno další alternativní provedení s vnějšímikonci výstupních vlnovodů připojenými na zem přes kondenzátory,obr. 4 představuje provedení symetrizátoru s párem výstupníchvlnovodů zkratovaných vůči zemi a s rozpojenými výstupnímivlnovody, obr. 5 ukazuje směšovač sestávající ze dvou symetrizá-torů spojených navzájem pomocí diod, a obr. 6 znázorňuje obdobnýsměšovač jako na obr. 5» ale s konci vstupních vlnovodů opačnýchvstupu galvanicky zkratovanými vůči zemi a s konci výstupníchvlnovodů vůči zemi rozpojenými. Předmětný symetrizátor sestává ze dvou reaktančních sekcí I a II druhého řádu o elektrických délkách odpovídajících

čtvrtině vlnové délky vysokofrekvenčního signálu. První sekce I a druhá sekce II obsahuje dva mikropáskové vlnovody, horní a dolní, z nichž dolní vlnovod je umístěn na horní straně metalizo- vaného, dolního vrstveného podkladu 3. Druhý vlnovod, horní, je od dolního oddělen materiálem horního vrstvenného podkladu 4. Pár vlnovodů umístěný na horní straně dolního podkladu, tvořící pár vstupních vlnovodů 1, 2 je vzájemně propojen svými vnitřními konci 12, 21. Vnější konec 11 prvního vstupního vlnovodu 1 jea/ pomocí přenosového vedení 2 ° chírakteristické impedanci Ζθ 7 připojen ke vstupnímu portu 10.

Vnější konec 22 druhého vstupního vlnovodu ,2 je otevřený. Pár horních, výstupních vlnovodů lf 2* vytváří svými opačnýmivnitřními konci 12 ' 21 ' symetrické svorky 20 výstupního portu.Konstrukce symetrizátoru je ralizována alternativně v závislostina zvoleném způsobu ukončení vnějších konců 11 ,* 22 * výstupníchvlnovodů l', 2 * a vnější konce 22 druhého vstupního vlnovodu 2.Ukončení jsou zde obecně v opačné fázi, jako například zkrato-vání na zem a zapojení naprázdno vůči zemi. Jak uvedeno na obr. 1,vnější konce 11' 22' páru výstupních vlnovodů jsou oba prostejnosměrný proud a pro vysokofrekvenční signál přímo zkratoványna zem, zatímco vnější konec 22 druhého vstupního vlnovocLi2,opačný vůči vstupnímu portu 10 je rozpojen. V dalším případějako na obrázku 2, vnější konce 11 ', 22* páru výstupních vlnovodůjsou zkratovány vůči zemi pouze pro vysokofrekvenční signálprostřednictvím čřvrtvlnných segmentů vedení rozpojených nakoncích v bodech 111 *, 222 *. V ještě dalším příkladu, jako naobrázku 3, jsou vnější konce 11 ,* 22 * páru výstupních vlnovodů

L zkratovány se zemlí pro vysokofrekvenční signál prostřenictvímdostatečně velkých, kapacit j., 5.· Ve výše zmíněných příkladechje konec 22 druhého vstupního vlnovodu, opačný vůči vnějšímukonci 11 prvního vstupního vlnovodu 1 spojenému se vstupnímportem 10, pro vysokofrekvenční signál rozpojen. Příkladné provedení symetrizátoru na obr. 4 je předsta-vováno obvodem s párem výstupních vlnovodů zkratovaných vůčizemi v bodě 11 a s rozpojenými vnějšími konci li*, 22* 8 páru výstupních vlnovodů. Volbou transformace symetrizátorulze dosíci výkonnosti dipólové antény, když místo symetrickézátěže 2 se uvažuje otevřený prostor. Ve všech příkladechje symetrizátor zatížen zátěží o impedanci buá ve forměsoustředěné symetrické zátěže nebo ve formě páru nesymetrickýchzátěží o impedanci . Příkladné použití symetrizátoru pro konstrukci dvojitěvyváženého směšovače je znázorněno na obr. 5· Tento směsovačsestává ze dvou symetrizátoru spojených navzájem s páry symetrickýchsvorek 2s výstupů prostřednictvím Čtveřice diod 30 takovým způ-sobem, že každý ze symetrizátorů je připojen k odlišné ze dvoudiagonál kruhu diod vytvářejících čtveřici diod 30. Jeden zesymetrizátorů slouží pro přivádění vysokofrekvenční energiez nesymetrického vstupu 101 ke čtveřici a druhý pro přiváděnívysokofrekvenční energie heterodynu z nesymetrického vstupu 102.Vnější konce 22 párů druhých vstupních vlnovodů 2 obou symetri-zátorů, opačné ke vstupům, jsou vůči zemi rozpojeny. Vnější konce11', 22' párů výstupních vlnovodů lf 2' obou symetrizátorů jsouna druhé straně vůči zemi zkratovány pro vysokofrekvenční signál,zatímco pro jeden z nich jsou konce zkratovány galvanickya pro další jsou konce zkratovány prostřednictvím segmentůpřenosových vedení rozpojených na koncích 111', 222 * pro sní-mání mezifrekvenčního výtěžku ze čtveřice diod 30 k symetrickémumezifrekvenčnímu výstupnímu portu 40, Mezifrekvenční výstupníport ůO je připojen ke svorkám 20 výstupu symetrizátoru signáluprostřednictvím sériových induktancí 6, 6, k teré spolu s konden-zátory 5, 2. neb° čtvrtvlnnými segmenty otevřených vlnovodů 9 vytvářejí dolní propusti 36, 5^♦ Tyto filtry určuji širokopásmovévlastnosti mezifrekvence směšovače. Tyto meze jsou značně slabšípro případ směšovače na obrá«k« 6. Tento směšovač se liší od před-cházejícího tím, že zkratování signálu symetrizátoru jsou nahra-ženy rozpojením obvodu a rozpojené obvody jsou nahrazeny zkratovánímvůči zemi a takto konec 221 páru vstupních vlnovodů, opačný vůčivstupu 101, je galvanicky zkratován vůči zemi a konce 111 a 221páru výstupních vlnovodů jsou vůči zemi rozpojeny. Dolní propustpoužitá v tomto směšovači může mít širší mezifrekvenční pásmonež v předcházejícím směšovači. Kromě toho tento směšovač splňujeněkdy žádoucí podmínku, aby případné nežádoucí vstupní signályv mezifrekvenčním pásmu byly zkratovány na signálním vstupním powtu smesovace.

Diskutované příklady nevyčerpávají výhodné možnosti vytvá-ření dalších systémů ze směšovačů s použitím symetrizátoru podlevynálezu, ale ozřejmují jejich aplikační pružnosts způsobenoujak jejich topologickými charakteristikami, tak vzájemně komplementářnimi realizacemi. Činnost symetrizátoru sestává v dodávání plnévysokofrekvenční energie z nesymetrického vstupního portu majícíhovstupní impedanci 8 rovnou Ζθ k symetrickému výstupnímu portu mají-címu výstupní impedanci blížící se nebo páru nesymetrickýchvýstupních portů majících výstupní impedanci blížící se R^se stejnými amplitudami a opačnými fázemi v co možno širokém přeno-sovém pásmu a s co možno nejlepšími přizpůsobením vstupnícha výstupních portů.

Například konstrukce symetrizátoru je prováděna s použitímtechnologie tenkých vrstev, která •vyhovuje integrovaným mikrovlnným 10 hybridním obvodům na aluminovém podkladě 3 A120^ o tloušíceod 0,50 do 1,30 mm. Bielektrická vrstva horního podkladu 4,oddělující vlnovod symetrizátoru je vyrobena z dielektrického materiálu, jehož dielektrická konstanta se blíží dielektrickékonstantě spodního podkladu 3 a tloušíka se rovná asi jednépětině tloušíky spodního podkladu 3. Tlouštka horního podkladu 4závisí na požadovaném kompenzačním poměru rozptylových vlastností vlnovodů. V další konstrukci je symetrizátor vyráběn za použitímonolitické technologie vhodné pro monolitické integrovanéobvody na podkladu 3 polovodivého galiumarsenidu GaAs o tloušícemenší než 0,50 mm. Dielektrická vrstva horního podkladu 4, oddělu jící vlnovody, je vyrobena ze silikonnitridu Si„N, o tloušrce3 4 rovné asi jedné pětině tloušíky dolního podkladu 4. Takové pro-vedení symetrizátoru je zvláště vhodné pro mikrovlnná pásmanad 8 gigaherzů.

Rozměry průřezu obecně odlišné pro každhu sekci vlnovodů a odličné pro dané segmenty každé sekce a závislé na požadovanýrdi

širokopásmových vlastnostech pro typicky oředpokládané impedance,A jako například 50 o^raů vstup a 100 ohmů zátěž, ukazují plnouproveditelnost konstrukce symetrizátoru a jeho značné tolerancevůči nepřesnosti technologického zpracování.

Zaznamenáníhodný je fakt, že proveditelnost konstrukcesymetrizátoru nemá omezení ve volbě rozměrní průřezu sekcí, kterése objevily v jiných konstrukcích symetrizátoru, přičemž je zdeurčitý stupen volnosti ve volbě jak materiálu}, tak tloušíky 11 horní podložky, což umožňuje dosažení žádoucí kompenzace oče-kávaného poměru fázové rychlosti pro vlny vybuzené v lichéma sudém režimu až do jejich plné kompenzace včetně. Odtud získá-vá konstrukce symetrizátoru dobrou technologickou proveditelnostv důsledku eleiminace operací korigujících poměr rychlosti.

Konstrukce symetrizátoru podle vynálezu je aplikovatelnázvláště jako dělič energie l80 stupňů < ve spolupráci s druhýmsymetrizátorem a sekcí polovodivých diod jako dvojitě vyváženýsměšovač nebo modulátor. Výše popsaýá aplikace nevyčerpajívšechny možnosti vytvářené symetrizátorem podle vynálezu. Majívelmi výhodné charakteristiky ve formě širokopásmových Vlastností,které mohou přesáhnout dokonce tři oktávy. Kromě toho stojí zapovšimnutí výhodná vrstvová struktura konstrukce symetrizátorus udržováním neporušené spodní raetalizované zemní roviny vhodnéjak pro technologii teníkých vrstev založených na aluminiovémpodkladu Al^O^ stejně jako pro monolitickou technologii použí-vající polovodivý galiumarsenid GaAs a vrstvu silikonnitriduSi^N^. Monolitické provedení vytváří také možnost vytvářeníselektivní epitaxní nebo iontové implantace na polovodivýchpřechodech přímo z materiálu podkladu použitého symetrizátoru,například pro konstrukci směšovače monolitickou technologií.

Konstrukce symetrizátoru podle vynálezu je vhodná pro i použití ve frekvenčním rozsahu od jednoho do 18 GHz, to je$řť v rozsahu charakteristickém pro široké použití mikropáskovýchvedení. V rozsahu kmitočtu nižších od pásma S je vůči symetrizá-torům používajícím feritová jádra méně výhodný, zatímco pro 12 kmitočty nad 18 GHz je horší než syraetrizátory používajícížebrová vedení a štěrbinová vedení, které ho překonávají vzhledem ke svému snadnějšímu kombinování s vlnovodnou technikou.

Claims (6)

1. - 13 - PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Mikrovlnný symetrizátor pro směšovače a modulátory s vlnovodypříčných elektromagnetických vln, sestávající ze dvoureaktančních sekcí druhého řádu o elektrických délkáchodpovídajících čtvrtině vlnové délky vysokofrekvenčníhosignálu, obsahující nesymetrický vstupní port a symetrickývýstupní port, vyznačující se tím, žekaždá sekce (i, II)obsahuje dva mikropáskové vlnovody z nichž první vlnovod (l) je uložen na horní straně spodního vrstveného podkladu (3)opatřeného metalizací (o) spodní strany, a druhý vlnovod (2)je uspořádán souběžně s prvním vlnovodem (l) a je od něj oddě-len horním vrstveným podkladem (4), pár vstupních vlnovodů,vždy po jednom z každé sekce (i, li) je vzájemně propojensvými přilehlými konci (l2, 2l), zatímco jeden ze zbývajícíchkonců (ll) je připojen ke vstupu (lO) a druhý konec (22) jeukončen odrazovým prvkem vysokofrekvenčního signálu, kdežto párvýstupních vlnovodů (lf 2*) vytváří svými dvěma konci, vždypo jednom z každé sekce, pár svorek výstupního portu propřipojení efektivně vyvážené zátěže, kdežto oba zbývajícíkonce (ll* 22*) výstupních vlnovodů (l*, 2*) jsou ukončenyodrazovým prvkem vysokofrekvenčního signálu, přičemž fázeodrazových prvků výstupních vlnovodů (l*, 2*) jsou si vzájemeněrovny a jsou opačné hodnoty než fáze odrazových prvků vstupníchvlnovodů (l, 2). τ XI > O o < o00 5 i— 2 m - O O o sr to o - 14
2. 2. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím,že na svorky -výstupního portu jsou připojeny dva vodivéprvky umístěné mimo vlnovody.
3. 3. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 2, vyznačující se tím,že výstupní port je opatřen zemnící spojkou pro připojenípáru nesymetrických zátěží. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 2, vyznačující se tím, žek vodivým prvkům je připojena sít elektronicky řízených prvků.
4. 5. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 4, vyznačující se tím, že síí elektronicky řízených prvků je tvořena polovodičovýmipřechody uloženými přímo ve spodním vrstveném podkladě (3)v sousedství svorek výstupního portu. ó.cMikrovlnný symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím,že na symetrický výstupní port je prostřednictvím vodivýchelementů připojen symetrický výstupní port dalšího symetrizátoru obdobné konstrukce. 7· Mikrovlnný symetrizátor podle bodu ó, vyznačující se tím, ževodivými elementy jsou elektronicky řízené prvky.
5. 8. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím,že odrazové prvky na vnějších koncích (li*, 21 ') výstupníchvlnovodů (l , 2') jsou tvořeny dvěma elektronicky řízenými obvody - 15 -
6. 9. Mikrovlnný symetrizátor podle bodu 1, vyznačující se tím,že odrazové prvky na vnějších koncích (ll*, 21') výstupníchvlnovodů (l\ 2*) jsou tvořeny dvěma polovodičovými přechodyuloženými přímo ve spodním vrstveném podkladě (3) v sousedstvísvorek výstupního portu.

   ΖΓ 2309 24.5.1990