ITMI961227A1 - Convertitore di frequenza subarmonico per applicazioni alle onde radio millimetriche - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo della ricetrasmissione di segnali a microonde e più precisamente ad un convertitore di frequenza subarmonico per applicazioni alle onde radio millimetriche.

Nell'intervallo delle onde radio millimetriche, che interessa frequenze a partire dai 30 GHz, è possibile realizzare dei convertitori di frequenza molto compatti e miniaturizzati, grazie anche alle ridotte dimensioni delle sezioni trasversali delle guide d'onda rettangolari che ad essi si interconnettono.

Questo tipo di convertitori sono in genere realizzati in film sottile, ed i substrati posti entro contenitori metallici. La conversione di frequenza viene effettuata da diodi miscelatori. Un problema che si pone per quanto riguarda la propagazione del segnale a radiofrequenza dalla guida d'onda verso i diodi, e viceversa, è quello di effettuare una transizione tra la guida d’onda metallica ed il circuito in microstriscia connesso ai diodi. Una soluzione nota a questo problema consiste nell’introdurre entro la guida una estremità di un piccolo conduttore cilindrico la cui altra estremità è saldata alla microstriscia. Il suddetto conduttore funge da antenna entro la guida e trasferisce il segnale a radiofrequenza ivi presente alla microstriscia, o viceversa.

L'invenzione in oggetto riguarda un convertitore di frequenza subarmonico realizzato in film sottile, di struttura semplice e compatta, in cui la guida d'onda del segnale a radiofrequenza è direttamente affacciata ad una cavità che contiene i diodi, evitando l'utilizzo di mezzi aggiuntivi di transizione tra la guida e la parte in microstriscia del^circuito. poiché sono gli stessi diodi miscelatori che compiono anche la transizione da guida a microstriscia, o la transizione inversa.

Per conseguire tali scopi la presente invenzione ha per oggetto un convertitore di frequenza a microonde ti tipo subarmonico, come descritto nelle rivendicazioni.

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

in fig.1 è indicata una vista dall'alto del convertitore di frequenza subarmontco oggetto della presente invenzione;

in fig.2 è indicata una vista in sezione secondo il piano A-A di fig.1 ; e

in fig.3 è indicata con maggior dettaglio la parte centrale di fig.1 relativa al layout in film sottile.

Con riferimento alla fig. 1 , il convertitore di frequenza a microonde di tipo subarmonico ivi raffigurato è costituito da un corpo metallico 1 a forma di parallelepipedo in cui sono state ricavate tre cavità tra loro comunicanti. Una prima cavità 2 ha sezione rettangolare, la dimensione più lunga di detta sezione è perpendicolare ad un asse A-A di simmetria orizzontale del corpo metallico 1. La cavità 2 comunica con una più stretta e lunga cavità rettangolare 3 disposta lungo lo stesso asse A-A. Quest'ultima comunica a sua volta con una terza e più ampia cavità rettangolare 4. Le cavità 2 e 3 risultano simmetriche rispetto all'asse A-A, non così per la cavità 4 che si estende verso uno spigolo del corpo 1. La cavità 2 attraversa tutto lo spessore del corpo metallico 1 , mentre le cavità 3 e 4 terminano a circa metà spessore. La cavità 3 continua per un corto tratto 3' oltre la cavità 2.

Due pareti laterali tra loro perpendicolari del corpo 1 , sono forate in corrispondenza della cavità 4 per ospitare due connettori cilindrici in vetro 5 e 6, detti in seguito glass-bead. Questi ultimi sono a loro volta rispettivamente connessi a due connettori coassiali 7 e 8, concentrici ai glass-bead 5 e 6, che penetrano in rispettivi supporti metallici 9 e 10 avvitati ai fianchi del corpo metallico 1.

Le cavità 2, 3 e 4 contengono la parte circuitale in film sottile del convertitore, che verrà illustrata esaminando la fig.3. Al connettore 7 perviene un segnale di oscillatore locale LO/2 e al connettore 8 fuoriesce un segnale a frequenza intermedia IF.

Con riferimento alla fig.2, in cui gli stessi elementi di fig. 1 vengono indicati con gli stessi simboli, notiamo il corpo metallico 1 e le cavità 2, 3 e 4 sezionate lungo un piano che taglia perpendicolarmente il corpo 1 lungo la mezzeria A-A. La parte superiore delle cavità 2, 3, e 4 è chiusa da un piatto metallico 11 fissato al corpo 1 mediante viti 12. Nella parte inferiore della cavità 2 è indicato un segnale a radiofrequenza RF di ricezione entrante nella cavità 2.

Per motivi di semplicità le figg.1 e 2 non mostrano una flangia metallica fissata con viti alla parte inferiore del corpo 1. La flangia sostiene una guida d'onda rettangolare (pure non visibile nelle figure) comunicante con la cavità 2, dove convoglia il segnale a radiofrequenza RF.

Con riferimento alla fig.3, in cui gli stessi elementi di figg.1 e 2 vengono indicati con gli stessi simboli, notiamo un substrato di allumina 13 collocato entro la cavità 4. Un secondo substrato di quarzo 14 è collocato entro la cavità 3, ove si estende per tutta la lunghezza della stessa, attraversa la zona centrale della cavità 2 e termina nel tratto 3' che prolunga la cavità 3 oltre la 2. I piani di massa lato retro dei substrati 13 e 14 sono saldati per termocompressione al corpo metallico 1.

Il substrato 13 supporta un filtro diplexer costituito da una sezione passa banda PBS e da una sezione passa basso LP. Un'estremità della sezione passa banda PBS è connessa al glass-bead 5, e quindi ai connettore coassiale 7 del segnale di oscillatore locale LO/2 (visibili in fig.1); la seconda estremità della sezione PBS è connessa ad una corta miscrostriscia 15 disposta lungo l'asse A-A di fig.1 e terminante quasi in prossimità del substrato di allumina 13. Un'estremità della sezione passa basso LP è connessa al glass-bead 6, e quindi al connettore coassiale 8 del segnale a frequenza intermedia IF (visibili in fig.1); la seconda estremità della sezione LP è pure connessa alla corta miscrostriscia 15 nello stesso punto in cui è connessa la seconda estremità della sezione passa banda PBS. I filtri PBS ed LP sono realizzati in microstriscia secondo le tecniche note, il filtro PBS comprende un blocco per la corrente continua costituito da due corte linee affacciate una delle quali è connessa alla microstrìscia 15.

Il substrato di quarzo 14 supporta un filtro passa basso LPS realizzato in microstriscia secondo le tecniche note. Le due estremità del filtro LPS, corrispondenti ad altrettante porte per i segnali, sono presenti due microstrìsce 17 e 18. Una bandella metallica 16 interconnette la corta microstriscia 15 del filtro diplexer alla microstriscia 17 del filtro LPS. La microstrìscia 18, all'altra estremità di LPS, è connessa ad un capo di una coppia di diodi miscelatori D1 e D2 disposti in antiparallelo, il cui altro capo è connesso ad una corta microstrìscia 19 che si estende entro il tratto 3' che prolunga la cavità 3 oltre la 2. La metallizzazione del piano di massa, presente sul retro del substrato 14, si interrompe nella cavità 2, in corrispondenza della zona 20 (indicata a tratteggio). La microstriscia 19 è connessa al corpo metallico 1 mediante una saldatura 21. Riepilogando, entro la cavità 2 le microstrisce 18 e 19 equivalgono ad un'unica linea che attraversa la cavità 2 lungo la mezzerìa nel senso della dimensione più corta, la suddetta linea è interrotta in una zona al centro della cavità ove sono collocati i diodi D1 e D2 in antiparallelo connessi tra i capi dell'interruzione.

Come detto in precedenza, alla faccia inferiore del corpo metallico 1 è rigidamente connessa una guida d'onda rettangolare (non visibile) affacciata alla cavità 2 con cui comunica. Quest'ultima è in realtà un tratto della suddetta guida d'onda, chiusa all'estremità superiore dal piatto metallico 11 , che per la detta cavità 2 è a tutti gli effetti un piatto di cortocircuito (fig.2). La dimensione più corta della sezione rettangolare della cavità 2 è minore di quella della guida rettangolare che convoglia il segnale RF (cavità in guida ribassata) al fine di evitare perdite di potenza, e quindi di conversione, dovute al disadattamento d'impedenza tra guida e cavità.

Facendo riferimento alle precedenti figure per illustrare il funzionamento del convertitore, la struttura circuitale di fig.3 è quella di un mixer in configurazione single-ended che funziona in subarmonica. Il segnale di oscillatore locale LO/2 avente frequenza subarmonica, iniettato al connettore 7, attraversa nell'ordine: il glass-bead 5, la sezione passa banda PBS, la corta microstriscia 15, la bandella metallica 16, il filtro passa basso LPS e la coppia di diodi D1, 02. Come è noto, a causa delia non linearità della conduttanza dei diodi, e dell'alto livello del segnale di oscillatore locale LO/2 a frequenza subarmonica, la configurazione dei diodi di fig.3 è tale per cui viene generata una fondamentale a frequenza doppia rispetto a quella di subarmonica, più un certo numero di armoniche pari. Il segnale a radiofrequenza di ricezione RF presente in guida viene iniettato direttamente nella cavità 2, che equivale ad un tratto della stessa guida per quanto concerne la propagazione del campo elettromagnetico. Il segnale RF iniettato in cavità raggiunge i diodi D1 e D2 ove avviene il battimento con la fondamentale e la conseguente generazione del segnale a frequenza intermedia IF. Più in generale, il battimento avviene anche con la subarmonica LO/2 e le armoniche pari della fondamentale. In conseguenza di ciò il segnale RF viene traslato in frequenza simmetricamente attorno alle suddette frequenze, oltre che rispetto alla fondamentale.

Il filtro passa basso LPS blocca tutte le componenti generate nei diodi D1, D2 aventi frequenza superiori alla subamnonica, impedendo a queste ultime di raggiungere le < ue sezioni PBS ed LP del filtro diplexer. Allo scopo, il filtro LPS riporta un ortocircuito per detti segnali sul piano della parete della cavità 2 attraversato dalla microstriscia 18. Gli unici segnali che passano integralmente dal filtro LPS sono quindi il segnale di oscillatore locale LO/2 e la frequenta intermedia IF. Anche il battimento tra RF e LO/2 alla frequenza differenza passa, se pur attenuato, attraverso il filtro passa basso LPS ma viene bloccato da ambedue le sezioni LP e PBS del filtro diplexer.

Il segnale a frequenza intermedia IF generato nei diodi attraversa nell'ordine: il filtro LPS, lì bandella 16, la microstriscia 15 , la sezione passa basso LP, il glass-bead 6 e fuoriesce dal connettore 8.

Nel filtro diplexer la sezione passa banda PBS impedisce al segnale IF di raggiungere la porta del segnale di oscillatore locale costituita dal connettore 7, e la sezione passa basso LP impedisce al segnale di oscillatore locale LO/2 di raggiunc ere la porta del segnale a frequenza intermedia costituita dal connettore 3. Da quanto sopra appare evidente la funzione del filtro diplexer formato da le due sezioni PBS e LP, che è appunto quella di solare la porta del segnale LO/2 dal segnale IF, e di isolare la porta del segnale IF dal segnale LO/2

Come già è stato cetto, gli isolamenti RF/(LO/2) e RF/IF alle porte 7 e 8 sono garantiti dal filtro LPS. Per quanto invece concerne gli isolamenti (LO/2)/RF e IF/RF entro a guida, sono garantiti dal fatto che la stessa agisce come filtro passa alto che blocca i segnali IF e LO/2.

Un altro aspetto di cui occorre tener conto è quello di ridurre le perdite causate da indebite riflessioni del segnale RF per via dei disadattamenti di impedenza. Al fine di evilare questo genere di inconvenienti la distanza tra il piatto metallico 12 che chiude inferiormente la cavità 2, costituendo un cortocircuito per il segnale RF, ed il piano di riferimento dei diodi D 1 , D2, corrispondente al lato frc nte del substrato 14, deve essere tale da riportare un circuito aperto per segnale RF su detto piano. Inoltre l'impedenza caratteristica ZG della guida d'onda rettangolare deve coincidere con l'impedenza caratteristica ZCAV della cavità 2 comprensiva del contributo dovuto all'impedenza dei diodi, se questa condizione non è verificata occorre inserire tra la guida d'onda e la cavità 2 un tronchetto di guida rettangolare di lunghezza pari ad un quarto d'onda alla frequenza di centrobanda del segnale RF e di impeder za caratteristica: ∑ T ~ jz a zCA„ ·

Nel convertitore de ll'esempio non limitativo appena descrìtto il segnale RF ha una frequenza di centrobanda di 55 GMz, il segnale LO/2 ha una frequenza di 27 GHz, ed il segnale risultante IF ha una frequenza di centrobanda di 1 GHz. connettori coassiali 7 e 8 per i segnali LO/2 e IF sono di tipo K, la guida di onda rettangolare per il segnale RF è di tipo WR 19 (UG-599 U), i diodi utilizzati sono di tipo GaAs Hp HSCH-9201. Prestazioni elettriche più generali sori o riassunte nella seguente tabella:

Il convertitore dell'esempio funziona anche come convertitore in salita per l’ottenimento di un segnale RF di trasmissione senza necessità di apportare alcuna modifica alla struttura circuitale descrìtta, in tal caso segnale IF è entrante ed i segnale RF uscente.

Un funzionamento a frequenze inferiori comporta un aumento delle dimensioni della guida d'onda rettangolare, oltre che del convertitore, scendere di frequenza risulta pertanto meno conveniente. Malgrado ciò, qualora si intendesse utilizzare la stessa struttura, il substrato di quarzo 14 può essere realizzato utilizando un più conveniente substrato di allumina.

Occorre da ultimo osservare che per quanto concerne il funzionamento elettrico del convertitore, o scopo delle cavità 4 e 3 (con il tratto 3' ) è quello di sorreggere i filtri dip sxer e LPS evitando, una volta chiuse dal piatto metallico superiore 11, il propagarsi di radiazione spuria nello spazio circostante. Ben diversi! è la funzione della cavità 2 che, come già detto, equivale ad un tratto di g uida d'onda che consente ai diodi posti al centro di agire come miscelatori di frequenza. Inoltre: la cavità 2, il piatto di cortocircuito 11, i diodi 1)1 e D2, le linee 18 e 19 prive di metallizzazione sottostante, e la saldatura 21 costituiscono una transizione da guida a microstriscia, e viceversa

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Convertitore di frequenza a microonde comprendente un filtro diplexer in microstriscia avente una porta d'ingresso (7) per un segnale di oscillatore locale (LO/2) Ì frequenza subarmonica ed una porta d'ingresso, o uscita, (8) per un segna e a frequenza intermedia (IF), detto filtro essendo formato da una seziono passa banda (PBS) che lascia passare il detto segnale di oscillatore loc ale (LO/2) verso due diodi miscelatori di frequenza (D1, D2) connessi in an (parallelo, e da una sezione passa basso (LP) che lascia passare verso delta porta del segnale a frequenza intermedia (8) l'omonimo segnale (IF) c enerato dai detti diodi (D1, D2) per battimento tra una fondamentale a frequenza doppia di detta subarmonica, generata da detti diodi, ed un segnale a radiofrequenza (RF) di ricezione, o che lascia passare verso detti diodi jn segnale a frequenza intermedia (IF) entrante alla porta omonima (8), otte rendo per battimento con detta fondamentale un segnale a radiofrequenze (RF) di trasmissione, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre: un piastrino dielettrico (14) che supporta un secondo filtro passa basso (LPS), realizzato in microstriscia, connesso tra un punto comune alle due dette sezioni (PBS, LP) del filtro diplexer ed i detti diodi (D1 , D2), detto secondo filtro passa ba sso (LPS) lasciando passare il detto segnale di oscillatore locale (LO/2) verso i diodi e bloccando le frequenze superiori a detta subarmonica, isole ndo in tal modo le dette porte dei segnali di oscillatore locale (LO/2 ed a frequenza intermedia (IF) dal segnale a radiofrequenza (RF); un corpo metallico (1) in cui sono ricavate almeno due cavità (4-1-3, 2) tra loro comunicanti, di et li una prima (4+3) contiene i detti filtri diplexer (PBS, LP) e secondo passa basso (LPS), ed una seconda (2), di sezione rettangolare, attraversa tutto lo spessore di detto corpo metallico (1) ed include i detti diodi (D1 , [ 2 ); una guida d'onda ;i sezione rettangolare che trasporta dentro, o fuori, detta seconda cavità (2) il segnale a radiofrequenza di ricezione (RF), o di trasmissione, la seconda cavità (2) equivalendo ad un tratto di detta guida d'onda per quanto conce me la propagazione del campo elettromagnetico; un piatto metallico (11) che chiude completamente detta prima cavità (4+3), e chiude da un lato la detta seconda cavità (2), costituendo per quest'ultima un piatto di ortocircuito; una linea metallica 18, 19) deposta su detto piastrino dielettrico (14) e priva di metallizzazione sottostante, che attraversa la detta seconda cavità (2) lungo la mezzeria nel senso della dimensione più corta, le estremità di detta linea (18, 19) essendo rispettivamente connesse a detto corpo metallico (1) e ad una estiemità di detto secondo filtro passa basso (LPS), la suddetta linea essendo in errotta in una zona al centro della seconda cavità (2) ove i detti diodi ( 31, D2) in antiparallelo sono connessi ai capi dell'interruzione.
2. 2. Convertitore di frequenza a microonde secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la distanza tra detto piatto metallico di cortocircuilto (11) e la eia di detto piastrino dielettrico (14) su cui è deposta la detta linea metallica ( 8, 19) è tale da riportare su detto piano un circuito aperto per il detto segnale a radiofrequenza (RF).
3. 3. Convertitore di frequenza a microonde secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal che detta prima cavità (3) prosegue per un breve tratto (3‘) oltre detta sec cavità (2), alloggiando una estremità di detto piastrino dielettrico (14) di detta linea metallica (18, 19) connessa a detto corpo metallico (1).
4. 4. Convertitore i frequenza a microonde secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che detta linea metallica (18, 19) al di fuori di detta seconda cavità (2) è microstriscia di detto secondo filtro passa basso (LPS).
5. 5. Convertitore li frequenza a microonde secondo una qualunque delle rivendicazioni preci :i, caratterizzato dal fatto che la dimensione più corta della sezione retta r golare di detta seconda cavità (2) è inferiore alla corrispondente dimension di detta guida rettangolare.
6. 6. Convertitore c i frequenza a microonde secondo le rivendicazioni 1 o 5, caratterizzato dal fatto che tra detta guida d'onda e detta seconda cavità (2) è inserito un tronchetto di guida d'onda a sezione rettangolare di lunghezza pari ad un qui rto d'onda alla frequenza di centrobanda di detto segnale a a (RF) e di impedenza caratteristica ZT che soddisfa la seguente espressione

   dove ZG è l'impedenza caratteristica di detta guida d'onda, e ZCAV è l’impedenza caratteristica di detta seconda cavità (2) comprensiva del contributo dovuto all'impedenza di detti diodi (D1 , D2 ).
7. 7. Convertitore di frequenza a microonde secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatte che il detto piastrino dielettrico (14) è di quarzo.
8. 8. Convertitore li frequenza a microonde secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fa to che funziona nell'intervallo delle onde radio millimetriche.