33. Смесители свч приемников.

В смесителях можно использовать обращенные туннельные диоды (ОД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ). В настоящее время наибольшее применение в смесителях сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн получили ТКД и ДШ. В дециметровом диапазоне иногда применяются обращенные туннельные диоды, у которых используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ). На рис. 10.2 приведены ВАХ диодов трех типов. ДШ обладает более крутой, чем ТКД, вольт-амперной характеристикой и большим напряжением пробоя, а так же более высокой механической прочностью. Однако ДШ требует большей мощности гетеродина (2…10 мВт для диодов из арсенида галлия и 0,5…1 мВт для кремниевых диодов). Большая крутизна ВАХ обращенных туннельных диодов в близи начала координат позволяет работать при мощности гетеродина 0,1…0,2 мВт. Параметры современных смесительных диодов СВЧ приведены в справочной литературе.

Единственно полезным для работы смесителя элементом этой схемы служит нелинейная проводимость запирающего (барьерного) слоя g (u) (поэтому смесительные диоды часто называют варисторами). Остальные элементы: сопротивление потерь диода Г_п и нелинейная емкость С (u) – являются паразитными и приводят к потери мощности преобразованного сигнала (нелинейность емкости вызывает преобразование сигнала на высшие комбинационные частоты)^·.

Рис. 33.1. Вольт-амперные характеристики смесительных диодов [1]	Рис. 33.2. Эквивалентная схема смесительного диода [1]
а)	б)
Рис. 33.3. Конструкции смесительных диодов а) с балочными выводами 1 – активный n-слой; 2- выпрямляющий контакт; 3-слой полиамида; 4-золотые балочные выводы; 5-буферный слой; 6-подложка; 7- омический контакт; б) в интегральном исполнении 1- омический контакт; 2-барьер Шотки; 3-подложка; 4-микрополосковые линии

Для интегральных схем СВЧ изготовляют безкорпусные смесительные диоды, два из которых изображены на рисунке 33.3. Применяются также кристаллы смесительных диодов с одним или несколькими выпрямляющими окнами.

Электрические характеристики смесителя

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существеннен лишь эффект пряого преобразования частоты, в диодных смесителях наблюдается так же эффект обратного преобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты w_пч=w_с-w_г, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала w_с = w_пч+w_г. Таким образом, эффект обратного преобразования обусловлен наличием сильной обратной связи

в диодном смесителе, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т.е. представляет собой взаимное устройство.

Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты w_з=w_г-w_пч (названной так из-за “зеркального” расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина)

В последнее время получил распространение режим работы смесительных диодов, при котором используется не только нелинейная проводимость, но и нелинейная емкость. Благодаря этому удается снизить потери преобразования и коэффициент шума преобразователя. Однако для реализации такого режима требуется большая мощность гетеродина.

Рис. 33.4. Спектральный состав колебаний в преобразователе частоты [1].

Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в случае взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина так как w_з=2w_г-w_с.

Обычно смеситель согласовасо входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте w_пч передается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты w_пч=w_г-w_з. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты w_пч=w_с-w_г, то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты.

Балансные и двойные балансные смесители.

Для уменьшения влияния шумов гетеродина применяются балансные смесители (рис. 33.5, а). Смеситель содержит 2 диода, которые включены, так, что их токи i_Д1 и i_Д2 протекают в первичной обмотке выходного трансформатора WT₂ во встречных направлениях. При этом синфазные составляющие магнитного потока взаимно компенсируются, а противофазные – складываются. Убедимся сначала в способности этой схемы выполнять функции преобразователя частоты. Напряжение гетеродина подается на диоды синфазно, а напряжение сигнала- противофазно.

Следовательно, токи преобразованного колебания промежуточной частоты в обоих диодах так же противофазны и поэтому создаваемые ими магнитные потоки складываются и наводят во вторичной обмотке трансформатора WT₂ напряжение промежуточной частоты.

Перейдем к количественному анализу работы балансного смесителя, аппроксимируя ВАХ диодов ряда Тейлора

К первому смесительному диоду прикладывается сумма напряжений , а ко второму – разность . Здесь - напряжение сигнала, - напряжение гетеродина. Подставляя выражения для u_Д1(t) и u_Д2(t) в (10.18), найдем токи диодов:

.

Результирующий ток в первичной обмотке трансформатора WT₂

Первое слагаемое (10.19) характеризует прямое прохождение сигнала через смеситель, что опасно при w_с=w_пч, а второе слагаемое – полезное преобразование частоты. В связи с тем что составляющие токов с частотой гетеродина w_Г взаимно компенсируются, шумы гетеродина не попадают на выход смесителя и при идеальной симметрии схемы относительная шумовая температура гетеродина t_Г=0

Проводя аналогичные выкладки для токов в трансформаторе WT₁, легко видеть, что балансный смеситель позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антену приемника. Это свойство в последнее время приобретает все большее значение, так как в связи с проблемой электромагнитной совместимости радиотехнических средств введены более жесткие ограничения на допустимый уровень излучения колебаний гетеродина.

Балансный смесител по схеме на (рис. 33.5, а) практически не применяется в диапазоне СВЧ ввиду сложности реализации симметричного выходного трансформатора. Более распространена другая схема (рис. 33.5, б), принципиально не отличающаяся от первой. Разница состоит в том, что в ней отсутствует выходной трансформатор, напряжение гетеродина подается на диоды в противофазе, а напряжение сигналов в фазе. Однако из-за встречного включения диодов в этой схеме сохраняются те же фазовые соотношения и те же свойства, что и в балансном смесителе.

Основным узлом балансного смесителя диапазона СВЧ является гибридное соединение осуществляющее равное деление мощности входного сигнала и колебания гетеродина между диодами с сзаданными фазовыми соотношениями, а также обеспечивающего максимальную развязку между входами сигнала и гетеродина. В качестве таких соединений обычно используют двух и трехшлейфные направленные ответвители (НО), гибридные кольца и направленные ответвители на связанных полосковых линиях.

Рис. 33.5. Принципиальные электрические схемы балансных смесителей с синфазной (а) и противофазной (б) подачей напряжения гетеродина. [1].

Двухшлейфные направленные ответвители обеспечивают развязку сигнала и гетеродина не хуже 200 дБ при K_cmU < 1,5 в полосе частот около 10%. Полоса пропускания трехшлейфных ответвителей расширяется до 20% и более. Потери преобразования этих схем L_Д »6…8 дБ. Балансные смесители обычно работают при нулевом смещении на диодах.

При использовании промежуточной частоты, находящейся в диапазоне СВЧ, применяют смесители, имеющие разомкнутые четвертьволновые шлейфы, закорачивающие сигналы промежуточной частоты. Такие смесители имеют следующие параметры: f_C = 20±0,5 ГГц, f_Г = 18,3 ГГц, f_пч=1,2…2,2 ГГц, полоса пропускания по уровню 1 дБ составляет ±500 МГц, коэффициент шума К_ш = 4,8…5,8 ГГц.