专利名称：无辐射介质波导频率转换器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种频率转换器，其用于一无辐射介质波导，具有低损耗的特征，在曲面和中断部分几乎无辐射。
背景技术：
在相关技术中，运用MMIC(单片微波集成电路)技术在毫米波带中设计和实施频率转换器是非常困难的。而且在普通介质传输线路上安装半导体元件也是困难的。无辐射介质波导技术已经引入毫米波带电路构图，最近正在开发诸如毫米波带振荡器、调节器、混频器等使用无辐射介质波导技术的电路元件。
在使用无辐射介质波导时，上层导板和下层导板之间的间隙应小于使用频率波长的二分之一，无辐射介质波导电路处于上层导板和下层导板之间。
发明内容
本发明使用无辐射介质波导技术解决毫米波带相关技术的MMIC技术中的困难。因此，本发明涉及一种频率转换器，其包括一个无辐射介质波导，一个绝缘器，一个上转换器，一个高通滤波器和一个天线。
本发明的频率转换器的首选实施方案是将从外部使用的局部振荡波经过一绝缘器传输到一循环器，混合局部振荡波和IF信号，该信号输入自无空气间隙的上转换器，然后，混合的信号被传输至循环器输出终端。在直线高通滤波器内，混合的高频信号经天线被传送和辐射。另一方面，混合的低频信号被反射和传输到绝缘器。此外，混合的低频信号在终端被吸收，对局部振荡部分无任何影响。
本发明频率转换器的第二实施方案是频率转换器的上转换器和首选实施方案的频率转换器的循环器之间有空气间隙。
频率转换器的第三实施方案是在安装有耿氏二极管的内部耿氏二极管基座内生成局部振荡波，使局部振荡波进入使用带式谐振器的无辐射介质波导，通过绝缘器将局部振荡波输送到循环器，将局部振荡波同输入自无空气间隙的上转换器的IF信号混合，并将混合的信号传输至循环器输出终端。在直线高通滤波器内，混合的高频率信号经天线输送和辐射。另一方面，混合的低频率信号被直线高通滤波器反射并传输至绝缘器。混合的低频信号在终端被吸收，对局部振荡部分无任何影响。
本发明频率转换器的第四实施方案是第三实施方案的上转换器和循环器之间具有空气间隙。
为制作小尺寸的频率转换器，可根据第一、第二、第三和第四实施方案，使用曲线高通滤波器制作频率转换器。
有关本发明构成和实施的详细说明，本发明将分别对循环器、绝缘器、上转换器、直线高通滤波器、曲线高通滤波器和使用耿氏二极管的局部振荡单元进行解释。只提供使用曲线高通滤波器的频率转换器，对直线高通滤波器将另外说明。本发明实施在50GHz的毫米波带。亦可在其他毫米波带内改进和实施。在50GHz毫米波带内，上层导板和下层导板间的间隙是2.7mm。换而言之，无辐射介质波导的高度为2.7mm，宽度为3.0mm。
图1为接收外来局部振荡波的频率转换器透视图。
图2为接收外来局部振荡波的频率转换器顶视图。
图3是本发明的频率转换器整体图解。
图4是由模式抑制器和铁素体谐振器构成的循环器透视图。
图5为频率转换器中绝缘器作用示意图表，为一个循环器，在某一端安装一无反射终端。
图6是使用在循环器和绝缘器内的铁素体谐振器透视图。
图7是安装在内部局部振荡单元，绝缘器和循环器上的模式抑制器的分解透视图。
图8是终端的分解透视图，其被安装在绝缘器的一端。
图9是一网络分析器上的曲线图，表示循环器和绝缘器的插入损耗。
图10是一网络分析器上的曲线图，表示循环器和绝缘器的绝缘特征。
图11为一曲线图，表示在无辐射介质波导上按图7所示安装模式抑制器时LSM型波和LSE型波的传输损耗。
图12为曲线图，表示图8所示终端的电压常规波率(VSWR)。
图13为无空气间隙的上转换器透视图。
图14为上转换器顶视图，其无空气间隙，输入入射波FlO和反射波FlO±fIF。
图15为上转换器截面图，其无空气间隙，输入入射波FlO和反射波FlO±fIF。
图16为安装在上转换器上的肖特基二极管基座顶视图。
图17为供给IF和偏压至上转换器的电路图，其上安装一肖特基二极管。
图18是说明根据无空气间隙的上转换器的频率的VSWR的曲线图。
图19为有空气间隙的上转换器的透视图。
图20上转换器顶视图，其有空气间隙，输入入射波FlO和反射波FlO±fIF。
图21为上转换器截面图，其有空气间隙，输入入射波FlO和反射波FlO±fIF。
图22说明根据有空气间隙的上转换器的频率的VSWR的曲线图。
图23为一曲线图，说明根据有空气间隙的上转换器的频率的VSWR在使用局部振荡波功率7dBm，偏流3mA时的曲线。
图24为曲线图，表示根据IF频率在局部振荡频率为SOGHz和局部振荡波输出功率分别为OdBm或7dBm，IF功率为7dBm条件下的转换损耗。
图25为一曲线图，说明根据IF功率在局部振荡频率是50GHz，局部振荡波输出功率分别是0dBm或7dBm，IF频率是800MHz，RF频率是50.8GHz，偏流是3mA条件下RF(接收频率)输出功率。
图26为一曲线图，说明根据局部振荡波输出功率局部振荡频率是50GHz，IF频率是800MHz，IF功率为7dBm，RF频率是50.8GHz时的转换损耗。
图27为无辐射介质波导高通滤波器顶视图，其阻塞低频混合信号，传输经过上转换器生成的混合信号fLO±fIF中的高频率混合信号。
图28是一曲线图，表示图27所示的根据无辐射介质波导的频率的传输损耗。
图29为本发明中制造小尺寸频率转换器的目的而用于代替直线高通滤波器的曲线高通滤波器顶视图。
图30为网络分析器绘制的曲线图，表示根据图29中的无辐射介质波导曲线高通滤波器的频率传输损耗。
图31为具有内置局部振荡单元的频率转换器的透视图。
图32为具有内置局部振荡单元的频率转换器的顶视图。
图33为安装有用于局部振荡的耿氏二极管的耿氏二极管基座透视图。
图34为带式谐振器透视图，其向无辐射介质波导输送局部振荡波。
图35为曲线图，表示当局部振荡波频率为50GHz，局部振荡波输出功率为7dBm，IF频率为800MHz时，根据IF输出功率频率转换器的RF输出功率特点，其在内部有一局部振荡单元。
图表重要部件代码说明1上层导板；2下层导板；3，18，23，28，30，32，34，38，42，46，51，56，58，60，64无辐射介质波导；
4，6，8，10，14，29，31，33，61，63，62模式抑制器(通过在无辐射介质波导24内嵌入扼流型滤波器24制成)；5，9铁素体谐振器(由铁素体25、27和特氟纶管构成)；7终端(通过在无辐射介质波导内嵌入一片绝缘板59做成)；11，35上转换器的前部特氟纶(有空气间隙)；12，36肖特基二极管基座(其上安装一肖特基二极管40)；13，37上转换器的后部特氟纶；15，17，43，45，52，55圆锥部分(其被嵌入传输线路以实施高通滤波器)；16，44曲线切断单元(阻断低频率，输送高频率)；19，20，41，47，50，57杆状天线；21带式谐振器(将生成于频率转换器内耿氏二极管的局部振荡波传输到无辐射介质波导)；22；耿式二极管基座(在频率转换器内由偏置扼流48和局部振荡耿氏二极管构成)；24金属(铜)薄膜片(具有λ/4扼流结构)；25，27铁素体磁盘；39高电容率薄片(用于与无辐射介质波导和肖特基二极管基座匹配的阻抗)；40肖特基二极管；48偏置扼流(在耿式二极管阳极上用偏压)；49耿式二极管(振荡元素)；54直线阻断单元(阻断低频率，输送高频率)；fLO局部振荡频率；fIF中频；fLO±fIF混频；fLO±fIF混频(低频率等级)；
fLO±fIF混频(高频率等级)；w1，w2宽度(当嵌入模式抑制器内的金属薄膜片用阻塞形状制造，根据阻抗的金属薄片的狭窄部分和宽阔部分的宽度)；L扼流(电感)；C电容器(传导)；LI，L2锥形部分的长度(在高通滤波器内(低阻断滤波器))；L3切断单元长度(在高通滤波器内(低阻断滤波器))。
实现发明的最佳方案第一实施方案图1和图2表示本发明的频率转换器的透视图和顶视图，其中从频率转换器的外部输入局部振荡波。图1和图2所表示的频率转换器中，从外部使用的局部振荡波通过绝缘器被传输到循环器。在循环器的一终端和上转换器之间无空气间隙。局部振荡波和从上转换器输入的IF波混合。混合的信号被传输到循环器输出终端。在曲线高通滤波器内，高频混合信号通过天线19被输送并被辐射。另一方面，低频混合信号被反射并被传输到绝缘器，然后被终端7吸收。用此方法，局部振荡单元不受影响。
图3是BLOCH图表，进一步说明本发明的频率转换器。生成自局部振荡单元的局部振荡频率fLO经绝缘器传输到循环器。经上转换器混合的信号fLO±fIF经过循环器传输到高通滤波器。高通滤波器仅仅传输高频混合信号fLO+fIF并经天线辐射RF信号。另一方面，由高通滤波器阻断的低频fLO-fLF混合信号输经循环器并在绝缘器的终端7处被消弱。
图4是循环器的透视图。循环器是单向元件，其中无辐射介质波导相互以120的间隙定位。这样，可能出现多余的模。多余的模通过在铁素体谐振器上使用12000e的偏压磁场被抑制，如图6所表示，其由铁素体直径3.3mm，厚度0.32的磁盘和嵌入在上部铁素体磁盘和下部铁素体磁盘之间的特氟纶管26构成，并通过嵌入模式抑制器29，31，33，其中λ/4扼流型金属薄膜片被嵌入在图7所表示的铁素体谐振器5和以相互间120度的间隙定位的各自的无辐射介质波导之间。
图5是表示本发明的频率转换器的绝缘器的各成构成和作用的示意图表，表示波的流动。绝缘器基本原理和循环器的基本原理相同。在循环器的一端安装一终端，绝缘器可具有阻断单元的功能。局部振荡波fLO输入到无辐射介质波导，顺时针循环，传输到循环器。由高通滤波器阻断的低频fLO-flF混合信号输入到无辐射介质波导64，顺时针循环并传输到终端7，低频混合信号被消弱，这样，很难传输到局部振荡单元。
图9和图10由网络分析器绘制，表示循环器和绝缘器的插入损耗和绝缘水平。向前插入损耗小于IdB，是在SOGHz范围内的理想结果。另一方面，经过大于2GHz带向后插入的损耗小于-20Db。这样波不会向后传输。
图7的模式抑制器通过垂直定位的金属薄膜片抑制模LSE，并通过λ/4阻塞型滤波器结构抑制TE模。λ/4的适宜长度为1.05mm，w1为0.6mm，w2为2.4mm。用此方法，模式抑制器可制作成具有适当的阻抗水平。图11表示在安装模式抑制器时的LSM型波和LSE型波的传输损耗。在整个频率范围里，几乎没有任何LSM型波的传输损耗，LSE型波的传输损耗低于-20Db。
图8表示图5中所表示绝缘器的终端7的截面图。A一个V-cut阻片水平嵌入无辐射介质波导58的中央。图12为来自反射特点的VSWR曲线图，其在无辐射介质波导的终端安装终端时绘制。整个频率范围中，VSWR小于1.1。换句话，几乎没有任何反射，大部分波被吸收并消弱。
图13为无空气间隙的一个上转换器的透视图。图14和图15是顶视图和截面图，其表示输入自循环器的局部振荡波FlO流动，局部振荡波和IF的经反射的混合信号fLO±fIF。局部振荡波fLO同输入到肖特基二极管基座的IF混合。混合的信号fLO±fIF经过循环器反射并传输回输出终端。通过在无辐射介质波导38和肖特基二极管基座36之间插入一片高电容率板完成阻抗匹配。
图16表示一个肖特基二极管基座36，其中由HP制造的SHCH9101肖特基二极管作为扼流器安装在厚0.3mm，电容率2.56的介质基片金属薄膜片上。
图17是电路图，表示图16中给肖特基二极管基座36供给偏压和IF。偏压的转换损耗在3mA的电流通过肖特基二极管40时最低。图18表示在上述条件下的频率的VSWR。发现VSWR值不小但在整个频率范围内不变。
图19表示一个在无辐射介质波导34和肖特基二极管基座36之间有空气间隙的上转换器，旨在提高无空气间隙的上转换器的VSWR。前部特氟纶35被嵌入空气间隙内，以提高无辐射介质波导34连结度，高电容率薄片39嵌在前部特氟纶35和肖特基二极管基座36间以使阻抗得以匹配。
图20和图21顶视图和截面图，表示输入自循环器的局部振荡波fLO的流动，反射的混合信号fLO±fIF和IF信号在上转换器内的组合，该上转换器的无辐射介质波导34和肖特基二极管基座36之间有空气间隙。局部振荡波fLO)被传输到邻近空气间隙的前特氟纶35，同输入自肖特基二极管基座36的IF混合。混合的信号fLO±fIF经循环器被反射并传输回输出终端。
图22表示VSWR，其由在使用偏压，3mA的电流通过肖特基二极管基座36的肖特基二极管40测量的频率确定。在50GHz时，VSWR值最小，但结果显示了窄的带宽。
图23，图24，图25，图26分别表示取决于IF的VSWR和转换损耗，取决于IF输出功率的反射混合信号的输出功率变化，取决于局部振荡波输出功率的转换损耗，条件是使用有空气间隙的上转换器，从外部生成SOGHz的局部振荡波并通过绝缘器和循环器输入到上转换器。
图23是网络分析器绘制的曲线图，表示VSWR的变化。IF变化至1GHz，50GHz的局部振荡波输出功率为7dBm，流经肖特基二极管40的偏流是3mA。频率在700MHz-900MHz的范围内，VSWR大约是2。
图24表示转换损耗，测量时，50GHz局部振荡波输出功率是OdBm和7dBm时，IF变化至1GHz，流经肖特基二极管40的偏流是3mA，IF功率是7dBm。发现局部振荡波功率越小，转换损耗就越低。
图25说明取决于IF功率的RF功率，测量条件是50GHz局部振荡波输出功率是OdBm和7dBm，流经肖特基二极管40的偏流是3mA，IF频率固定在800MHz，此时VSWR为图23所示的最低值，RF(即混合信号fLO±fIF中的高频混合信号fLO+fIF)变为50.8GHz。
图26是说明当生成50GHz局部振荡波时，取决于局部振荡波输出功率的转换损耗，流经肖特基二极管40的偏流是3mA，IF频率固定在800MHz，此时VSWR为图23所示的最低值，IF功率是7dBm。
如图24，图25和图26所示，如果局部振荡波输出功率低，转换损耗就会减少，但RF功率也会减少。相反，如果局部振荡波输出功率高，转换损耗就会增大，但RF功率也会增加。这样，可以认为局部振荡波功率和RF功率是折中选择关系。
图27为无辐射介质波导直线高通滤波器或低阻塞滤波器顶视图。传递到循环器混合信号输出频率对应于局部振荡波和IF的总和以及其差值的信号。因为使用对应于总量的信号，不同的信号应该阻断。换句话，应该使用阻断低频混合信号的滤波器。使用波导阻断效果的阻断滤波器在毫米波带中被认为是高通滤波器。可以阻断低频混合信号的高通滤波器在无辐射介质波导中也可通过缩小无辐射介质波导的宽度来实施。图27所示的锥型部分52、55帮助混合信号传输到阻断单元54。本发明的该实施方案的锥型部分52、55的长度是30mm。当阻断频率为50GHz时，根据无辐射介质波导的特征等式确定的阻断单元的宽度为1.77mm。
图28是图27所示的直线高通滤波器的通过特点曲线图。由网络分析器测量的在频率变化47GHz-53GHz范围内的传输损耗。在500MHz频率，低于阻断频率时，传输损耗是-40dB。如果锥型部分52、55的长度增加，通过带的波纹趋向降低。
图29是曲线高通滤波器的顶视图，表示其可减小频率转换器的尺寸，以克服图27所示的直线高通滤波器的尺寸大的不足。因为曲线高通滤波器弯度为90度，弧度半径为25.8mm，阻断单元的长度为40.5mm。图30是网络分析器绘制的曲线高通滤波器的传输损耗。通过应用曲线高通滤波器，有可能在保留直线高通滤波器的同时减小系统的尺寸。
第二实施方案在第一实施方案中，局部振荡波自外部经天线20输入。本发明的第二实施方案涉及一种频率转换器，其中局部振荡波通过使用耿氏二极管在频率转换器内生成。
图31和图32为使用耿氏二极管提供局部振荡波的频率转换器的透视图和顶视图。
图33为生成局部振荡波的耿氏二极管基座透视图。在耿氏二极管基座22上安装使用耿氏二极管49，通过偏压扼流给耿氏二极管49的阳极供给偏压来实施振荡。
图34表示安装在耿氏二极管基座22和抑制器4之间的带式谐振器21，其将生成自耿氏二极管基座的局部振荡波通过模式抑制器4传输到无辐射介质波导。
图35是一曲线图，表示取决于IF功率的RF输出功率，此时，生成自耿氏二极管基座的局部振荡波频率为50GHz，局部振荡波功率为7dBm，流经肖特基二极管的偏流是3mA，IF频率为800MHz。
工业实用性随着各类频率用众多方式和目的的广泛应用，毫米波带正在越来越引起诸如局域网，交通管制的近距离无限通信和各种传感器等多种领域的注意。为了建立有效的毫米波带系统，要求制作出小尺寸且高性能特征的毫米波集成电路。
通过对无辐射介质波导的多方面研究，结果发现当出现毫米波带传输损耗时，介质传输线路优于金属传输线路。与图像传输线路或反向带式线路比较，介质传输线路在弯曲部分和中断部分很少辐射。按照本发明，已经证明在毫米波带中创建集成电路是可行的。此外，按照本发明，通过在频率转换器内使用上转换器，有可能创制RF界面或光系统。同时，该系统可通过使用曲线高通滤波器制造出小尺寸的系统。
权利要求
1.一种频率转换器，其中通过绝缘器来自外部的局部振荡波被运用到循环器；局部振荡波与通过无空气间隙的上转换器输入的中频信号混合，混合的信号被传输到循环器输出终端；传输通过直线型高通滤波器的混合高频信号被天线辐射；混合低频信号被反射并传输到绝缘器，该信号被一终端所吸收，由此对局部振荡单元不产生影响。
2.权利要求1的频率转换器，在这里，包括上转换器和循环器间之间的空气间隙，以便在某一特定的频率范围内提高VSWR。
3.一种频率转换器，其中局部振荡波从安装有耿氏二极管的内部耿氏二极管基座产生；通过使用一个带式谐振器将局部振荡波传输到一个无辐射介质波导，以使其可通过一绝缘器传输到循环器；局部振荡波同通过无空气间隙的上转换器的输入中频信号混合，混合的信号被传输到循环器输出终端；通过直线型高通滤波器的混合高频信号被天线辐射；混合低频信号被反射并传输到一绝缘器，该信号被一终端所吸收，由此对局部振荡单元不产生影响。
4.权利要求3的频率转换器，其中包括上转换器和循环器间之间的空气间隙，以便在某一特定的频率范围内可提高VSWR。
5.权利要求1和权利要求3的频率转换器，其中嵌入一个曲线型高通滤波器替代直线型高通滤波器以减小频率转换器的尺寸。
全文摘要
本发明涉及一种使用无辐射介质波导的毫米波频率转换器。该频率转换器由一个局部振荡器、一个绝缘器、一个循环器、一个上转换器、一个高通滤波器和一个天线组成。局部振荡波生成自局部振荡器或自外部。安装绝缘器旨在仅传输局部振荡波并对局部振荡器不产生任何影响。用此方法，局部振荡波通过绝缘器传输到循环器。输入到循环器输入端口的局部振荡波通过连接循环器和上转换器的端口同中心频率信号混合，然后，经混合的信号经过循环器输出端口到达高通滤波器。
文档编号H01P3/00GK1491451SQ02804967
公开日2004年4月21日 申请日期2002年2月1日 优先权日2001年2月20日
发明者申千雨 申请人:Nrd技术有限公司, 申千雨