Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

ав режиме согласования на входе

к1К21б|2

Пример 5.4. Требуется рассчитать УРЧ, выполненный на тран­ зисторе ГТ341А по схеме с ОБ (рис. 5.19,6).

Исходные данные', частота настройки усилителя /0 = 400 МГц; полоса пропускания П = 11 МГц; частота настройки УПЧ /п=

=25 МГц; режим работы транзистора /э = 3 МА. Uks> — 5 В. Параметры транзистора в схеме с общей базой для заданных

Контуры усилителя выполнены на четвертьволновых отрезках несимметричной полосковой линии с твердым заполнением. Волно­ вое сопротивление линии W — 100 Ом. Собственное затухание ее d = 0,0017. Резонансная проводимость ненагруженного -контура go = 25 • 10~в См. Относительная диэлектрическая проницаемость е = 4,2.

Параметры контура входной цепи усилителя: длина линии I =

-Со = 5 пФ.

2.Характеристическое сопротивление контуров

Р1 = р2 = р = — 1/2-3,14-400-10"-5-10-12 = 80 Ом. w0C

3. Длину отрезков линии рассчитываем из условия настройки кон­ туров на частоту /0 = 400 МГц (5.77):

242

5. Эквивалентная проводимость контура (5.80) Gtl = GBi =

Ge = d9/p = 0,018/80 = 0,225 • 10~3 См.

6.Коэффициенты включения контуров (5.80):

g'B = 0,86 • 10~8 + (25 . 10_6 + 0,225 • 10"3 • КРуОДвб^гЛ! X X10"3 См:

KycT = 2(l-0,8)-^|| 18-10-»X

13i3.Lr*K)_JJM ++5>56.10-з_^Ы£2

определяем расстояние от замкнутого конца линии до точек подклю­

10. Избирательность УРЧ по зеркальному каналу (5.82)

Sew = Ki -f-{I(4,25/400 0,018)2—(1,1г—1)р—<1,1а—=

= 80,

.. или S?3K — 38 дБ.

243

12. Коэффициент усиления по номинальной мощности в режиме согласования (5.87)

5.3. МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ

Наиболее важными электрическими параметрами малошумяще­ го усилителя (МШУ) СВЧ являются коэффициент шума Мму или шу-

частота полосы пропускания Пму. Другими характеристиками, ко­ торые учитывают при определении возможности и целесообразно­ сти использования МШУ, являются: мощность насыщения по вхо­ ду Т’нас, при которой амплитудная характеристика МШУ становит­ ся нелинейной; стабильность параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов (например, изменение температуры окружающей среды /онр), масса и габаритные размеры МШУ, вклю­ чая источник его питания.

Из известных в настоящее время МШУ СВЧ наиболее широкое применение, особенно в СВЧ ИС, получают полупроводниковые параметрические усилители.,(ППУ) и усилители на транзисторах (УТР). Распространенными МШУ СВЧ являются также усилители на туннельном диоде (УТД) и на лампе бегущей волны (ЛБВ). Са­ мыми малошумящими усилителями СВЧ являются мазеры — кван­ товые парамагнитные усилители. Их рабочая температура обычно равна температуре жидкого гелия ( ~4К), поэтому в состав мазера входит криогенная система охлаждения, имеющая большие габарит­ ные размеры и массу, или криостат, периодически заливаемый жид­ ким гелием. В связи с этим мазеры имеют единичные применения в уникальных радиоприемных системах: в наземных пунктах косми­ ческой радиосвязи и крупных радиотелескопах.

ППУ является самым малошумящим усилителем среди всех из­ вестных неохлаждаемых МШУ. Его шумовая температура лежит в пределах от десятков (дециметровые волны) до нескольких сот (сантиметровые волны) градусов Кельвина. При глубоком охлажде­ нии уровень шумов ППУ существенно уменьшается и может быть сделай почти столь же низким, как и в мазерах. Полоса про­ пускания ППУ Пяу//ср обычно составляет единицы процентов, но с помощью специальных мер может быть расширена до 10—15%. Мощность насыщения Рнас = 1 ... 10 мкВт. Благодаря значитель­ ному эффекту снижения общего коэффициента шума приемника ППУ применяют на всех волнах диапазона СВЧ Вместе с тем следует; учитывать, что большинство разновидностей ППУ является регене­ ративными усилителями, требующими специальных мер для обеспе­ чения стабильности параметров в различных условиях работы. Кро­ ме того, ППУ нуждается во вспомогательном генераторе СВЧ — генераторе накачки.

211

создания миниатюрных СВЧ радиоприемников ЛБВ обычно не ис-1 пользуют. Свойства и параметры малошумящих ЛБВ описаны в [17].

5.4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

В настоящее время из всех разновидностей параметрических усилителей и преобразователей в диапазоне СВЧ в силу ряда до­ стоинств применяют в основном так называемые двухчастотные регенеративные ППУ. В этих ППУ наряду с частотой накачки /нак, возбуждаемой вспомогательным генератором накачки, используют две рабочие частоты: сигнальную /с и холостую /х =/Нак— /с> возникающую в процессе усиления. Последняя получила свое наз­ вание из-за того, что колебания этой частоты существуют только в

Рис. 5.23. Схема включения регене­ ративного ППУ, работающего на от­ ражение, в тракт сигнала с помощью

циркулятора.

так называемом холостом колебательном контуре усилителя и от­ сутствуют во входном и выходном сигналах ППУ.

Активным элементом ППУ, с помощью которого осуществляется усиление сигнала, является нелинейная емкость перехода Спер (ц) полупроводникового диода, которая зависит от приложенного на­ пряжениям. В двухчастотном ППУ передача энергии накачки сигна­ лу с помощью емкости Cutp (и) происходит в форме внесения ею отрицательного сопротивления в контур сигнала, что и обусловливает регенеративный характер процесса усиления.

ППУ работает на отражение с общим входом и выходом и ис­ пользует поэтому ферритовый циркулятор (см. § 4.4) для разделения входного и выходного сигналов (рис. 5.23). Входной сигнал Рс вХ, подводимый через циркулятор к ППУ в виде падающей волны на­ пряжения, возбуждает отраженную волну сигнала Рс ВЫх, мощ­ ность которой в результате усиления превышает мощность падаю­ щей в Кр „у = Рс вых/Рс вх раз.

В зависимости от соотношения частот /х и /с различают два вида двухчастотных ППУ: двухконтурный (ДПУ) и одноконтурный (ОПУ). В ДПУ частоты /х и /с значительно отличаются,, так что для их выделения в нем имеются отдельные контуры, причем холо­ стой контур не имеет связи с входом — выходом усилителя. ОПУ является частным случаем ДПУ, у которого /х « /с, т. е. /нак « « 2/с- Поэтому в ОПУ для обеих частот/х и /с, поскольку они близ­ ки, имеется один общий контур, и, следовательно, в выходном сигна­ ле ОПУ содержатся колебания как частоты /с, так и /х. Другими словами, спектр выходного сигнала ОПУ существенно отличается

246

от входного и представляет собой два спектра, расположенных зеркально-симметрично относительно частоты ftiaK!2 (19, 20}.

Из-за указанных особенностей ОПУ применяют главным обра­ зом в радиометрических приемниках шумового сигнала в так назы­ ваемом двухполосном (или радиометрическом) режиме приема, ког­ да шумовой сигнал поступает на вход усилителя в двух частотных полосах, расположенных в окрестности частот /с0 и /хоПри этом следует учитывать, что из-за искажения спектра входного сигнала

чувствительность радиометра с ОПУ ухудшается в V2 раз по срав­ нению со случаем использования линейного усилителя, имеющего такие же коэффициенты шума и полосу пропускания, но не иска­ жающим спектр [20].

Параметрические диоды

Полупроводниковый параметрический диод работает в ППУ в большинстве случаев при отрицательном смещении (1/0). Пара­ метрические диоды, как и другие типы диодов, бывают корпусными и бескорпусными. В первых полупроводниковая структура поме­ щена в герметичный (обычно керамический) корпус, имеющий метал-

Рис. 5.24. Пример конструкции бескорпусного диода и его соединения с микрополосковой линией:

водниковая структура.

Рис. 5.25. Эквивалентная схема параме­ трического диода.

лические выводы (штырь, фланец), с помощью которых диод вклю­ чают в ППУ (рис. 4.35). В бескорпусных диодах, предназначенных для СВЧ ИС, полупроводниковая структура либо монтируется на керамическом основании, имеющем контактные площадки (выводы), с помощью которых диод припаивают к микрополосковым линиям (Рис. 5.24), либо она имеет балочные выводы (диод с балочными вы­ водами) для непосредственного соединения с МПЛ путем припайки или приварки (рис. 7.14).

По своей структуре диоды разделяются на диоды с р—«-пере­ ходом и диоды с контактом металл — полупроводник, называемые Диодами с барьером Шоттки (ДБШ) [17]. Эквивалентная схема пара­ метрического диода (рис. 5.25). состоит из нелинейной емкости полупроводниковой структуры Сцер (и), эквивалентного последо-

247

Таблица 5.f

для которых t/=—5В, и типа IA4O8A, для которых U-— 10В.

рассеиваемая непрерывная и импульсиая падающая мощности соответственно; ^СВЧи“ максимально допустимая энергия пнка (короткого импульса).

вательного сопротивления потерь гпос, включающего все потери рассеяния (поглощения) в диоде, и эквивалентных реактивных параме­ тров корпуса (держателя) диода: последовательной индуктивности вводов Lnoc и конструктивной емкости корпуса С„пн. Характерные

Основными параметрами параметрических диодов являются: емкость перехода (или контакта металл — полупроводник в ДБШ) при нулевом СпРр (0) или отрицательном Свер (Uo) смещениях, по­ стоянная времени, равная т (Uo) = rBl)CCWf) (Uo), и нормируемое обратное напряжение 17норм обр. Последнее представляет собой максимально допустимое постоянное обратное (отрицательное) на­ пряжение на диоде, при котором обратный ток не превышает задан­ ной величины, и характеризует его электрическую прочность наряду с максимально допустимыми уровнями импульсной и непрерывной СВЧ мощности. Например, серийно выпускаемые параметрические диоды из германия (Ge) и арсенида галлия (CaAs) для ППУ сантиме-

.тровых волн имеют С7нормобр>4 ...20 В, Cnen(t7ft) «0,05... 0,5 пФ,

. параметров больше. Параметры некоторых арсенидогаллиевых и гер­ маниевых параметрических диодов приведены в табл. 5.1 122, 23h

248

диодом в контур ОПУ, равно гпос, т. е. частоту, на которой усиле­ ние становится равным единице.

Режим накачки диода выбирают таким, чтобы получить мак­ симально возможные значения тмоя и /кр. Это происходит тогда когда результирующее напряжение на емкости Спер (и) в отрицатель­ ный полупериод накачки достигает величины нормируемого обрат-

Рие. 5.26. Эквивалентная схема полупроводниковой структуры параметриче-. ского диода (а) и иллюстрация режимов накачки без захода (иВак(О—пунк-, тир) и с заходом в область положительных напряжений (б):

Работа с заходом в область положительных напряжений не всегда

чивается такой режим смещения, для диода с п — 2 рассчитывают по формуле

Динамические параметры диода тмоп и /вр, связанные с воздей-Ч ствем накачки, можно рассчитать через его статические параметры т (До)- Фк и напряжения смещения Uo и нормируемого обратного ^нормобрВеличины Cnep(U0) и т (Uo) = rnQC Спер (Uo) при ра-

250

В указанном режиме накачки для диодов с плавным переходом

Мощность накачки, подводимая к диоду, для модуляции его емкости, рассеивается в сопротивлении гпос из-за протекания че­ рез него тока накачки. В рассматриваемом режиме синусоидаль­ ного тока накачки необходимая мощность накачки равна

Мощность накачки Рнзк, подводимая ко входу накачки ППУ, обычно заметно выше мощности накачки Риакд, рассеиваемой в Диоде и рассчитываемой по формуле (5.98). Это обусловлено неиз­ бежными дополнительными потерями мощности накачки в реальном ППУ: потерями в проводниках и контактных соединениях ППУ, а также некоторой утечкой мощности накачки в тракт источника сигнала (например, антенны). Эти потери можно учесть с помощью

промежуточных частотах накачки определяется интерполяцией.

251