Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Муромский институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет»

РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИЁМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЙ

Методические указания по выполнению лабораторных работ

для студентов образовательной программы 200102.65

Приборы и методы контроля качества и диагностики

Часть 2

Составитель:

И.Н. Ростокин

Муром

2009

УДК 621.385.6(07)

ББК 32.849 я7

Р 15

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Муромского института (филиала)

Владимирского государственного университета

Р 15 Радиометрические приёмники излучений: Методические указания по выполнению лабораторных работ. В 2 ч. Ч. 2. / сост.: И.Н. Ростокин.– Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2009.– 73 с.

Программа лабораторных занятий включает постановку и проведение лабораторного практикума, определённого рабочей программой по дисциплине «Радиометрические приёмники излучений» для специальности 200102.65 «Приборы и методы контроля качества и диагностики».

УДК 621.385.6(07)

ББК 32.849 я7

 Муромский институт (филиал)

государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

« Владимирский государственный университет», 2009

Лабораторная работа №3

СМЕСИТЕЛИ СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Цель работы: изучение вариантов построения смесителей СВЧ на полупроводниковых диодах и приобретение навыков их проектирования на примере анализа конструкции смесителя двухканального супергетеродинного приемника.

3.1. Общие сведения о смесителях свч на полупроводниковых диодах

Смеситель (преобразователь частоты) является одним из важнейших узлов супергетеродинного радиоприемного устройства. Специфичным требованием, предъявляемым к смесителям многоканальных приемных устройств, является обеспечение высокой идентичности их параметров (коэффициента передачи и фазочастотных характеристик), что практически определяет вариант гибридно-интегрального исполнения.

В смесителе принимаемый СВЧ сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты, при этом диод используется в качестве нелинейного активного сопротивления. Диод помещается в специальную смесительную секцию, к которой подводят мощности сигнала и гетеродина, и соединяют его со входной цепью УПЧ, служащей нагрузкой диода на промежуточной частоте.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диода протекающий через него ток под воздействием напряжений с частотами и содержит составляющие как гармоник частоты , так и комбинационных частот вида , где m и n - целые числа. Выделяемым сигналом является ток разностной или промежуточной частоты

.

(3.1)

Рис. 3.1. Спектр частот колебаний, возникающих в смесителе.

Полезное преобразование осуществляется с потерей энергии входного сигнала. Из всего спектра колебаний тока диода основное влияние на потери преобразования сигнала в смесителе оказывают колебания частот , и , а также зеркальной комбинированной частоты и выпрямительный ток (см. рисунок 3.1).

Преобразование колебаний сигнала на зеркальную комбинированную частоту является вредным, так как при этом часть полезной энергии сигнала в виде колебаний частоты бесполезно расходуется в нагрузке смесителя для этой частоты.

Выпрямляющий контакт диодного смесителя представляют в виде шестиполюсника (одна пара полюсов для каждой из частот , и ) с соответствующими нагрузками на каждой паре полюсов , , , при этом гетеродин и цепь постоянного тока считают "встроенными" внутрь шестиполюсника. Нагрузками и является импеданс входной цепи смесителя со стороны выпрямляющего контакта вместе с паразитными элементами корпуса и полупроводниковой структуры диода на соответствующей частоте и .

На частоте входной импеданс смесителя и его нагрузка всегда приблизительно согласованы для обеспечения максимальной передачи сигнала , т.е. представляют собой комплексно-сопряженные импедансы. Импеданс нагрузки на зеркальной частоте в общем случае может быть произвольным. Смеситель, в котором  , называют узкополосным. Такая ситуация может возникнуть в случае, если входная цепь содержит узкополосные фильтры-преселекторы. Потери преобразования смесителя минимальны, если у "узкополосного" смесителя выполняются условия или , или .

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к электрическим параметрам смесителей СВЧ, являются: минимальный коэффициент шума и достаточная полоса рабочих частот.

Коэффициент шума смесительного диода равен:

,

(3.2)

где - шумовое отношение диода, - потери преобразования смесительного диода.

Общий коэффициент шума смесителя с УПЧ определяется формулой

,

(3.3)

где - коэффициент шума УПЧ.

Обобщенным параметром смесительного диода является нормированный коэффициент шума при = 1,5 дБ.

,

(3.4)

В сантиметровом диапазоне волн дБ, а в миллиметровом дБ.

Минимально необходимая полоса частот смесителя, включающая зеркальный канал приема, в котором смеситель тоже должен быть согласован для сохранения "широкополосных" свойств в смысле равенства импедансов  , определяется соотношением

,

(3.5)

где - диапазон рабочих частот сигнала, - полоса пропускания УПЧ, - промежуточная частота.

В зависимости от схемы построения различают четыре основных типа смесителей: небалансный (или однодиодный), балансный (однобалансный), двойной балансный (двухбалансный), сдвоенный двойной балансный (или его иногда называют трехбалансным смесителем).

Наиболее простой является схема небалансного смесителя (рисунок 3.2).

Рис. 3.2. Небалансный смеситель.

Развязка цепей гетеродина-сигнала-ПЧ осуществляется за счет включения соответствующих фильтров в указанные цепи. Смесители этого типа применяются редко ввиду трудностей обеспечения развязок цепей сигнала, гетеродина, ПЧ и широкого спектра комбинационных частот на выходе . Лучшими характеристиками обладают балансные смесители, имеющие на входе балансное соединение (см. рисунок 3.3 [11]).

Рис. 3.3. Схемы балансных смесителей.

В таких смесителях развязка гетеродин-сигнал, гетеродин-ПЧ обеспечивается за счет баланса моста, подбора идентичных диодов и их согласования. В балансном смесителе подавляются четные гармоники сигнала и гетеродина, глубина подавления зависит от баланса моста и идентичности диодов. Развязка цепей сигнала и ПЧ в этом случае обеспечивается применением фильтров.

Смеситель включает два основных узла: устройство связи и смесительную секции. Рассмотрим их раздельно.