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

где

U? -=» амплитуда напряжения гетеродина; а, Ь =“ коэффициенты по­

где Qi — (HjCi/Gx, Qg — WaOg/Ga-

Выходная проводимость смесителя для колебаний промежуточной частоты

У вых = (А + jO(g2 + а) + jB2l - bHWiG. + jBO- (7.14) Для обеспечения устойчивости смесителя нужно иметь

G,G2>62(/ar. (7.15)

Изменение смещения изменяет величину а, из-за чего меняются условия устойчивости и коэффициент преобразования. При задан­ ном смещении и параметрах схемы коэффициент преобразования и устойчивость определяются амплитудой гетеродина.

Возрастающая ветвь и большая часть падающей ветви вольтамперной характеристики ТД (см. рис. 7.8) аппроксимируется вы­ ражением

7/7п = 15,2(7 — 66,5f/2 4- 64,5t/3

(а = 15,2 7п1См]; b = —66,5 /п 1См/В); с = 64,5 /п 1См/В21).

312

ТД должен иметь критическую частоту fKP (3...5)/г и работать при напряжении смещения U « (0,9...0,95)t/n и амплитудой напря­ жения гетеродина Ur = (0,5... 1,1)Un-

На рис. 7.10 представлена схема преобразователя на ТД с внеш­ ним гетеродином. Она содержит параллельные ТС-контуры, на­ строенные на сигнальную, гетеродинную и промежуточную частоты. Конденсатор С4 — блокировочный. Резисторы R1 и R2 образуют делитель в цепи смещения.

В схеме преобразователя на ТД с внешним гетеродином, пред­ ставленной на рис. 7.11, конденсатор С1 блокирует постоянную со­ ставляющую и участвует в настройке контура промежуточной час-

тоты. Реактивностью этого конденсатора на сигнальной частоте мож­ но пренебречь. На /„ индуктивные катушки L2, L4 с конденсаторами С1 и С2 представляют собой резонансные контуры.

В преобразователе на ТД и микрополосковых линиях (рис. 7.12) диод / включен между двумя короткозамкнутыми четвертьволновыми линиями 2 и 3, соответственно настроенными на /с и /г. ТД соединен с линиями 2 и 3 с помощью элемента 4. Чтобы подать на ТД напря­ жение смещения, линию 2 изолируют от основания 5 по постоянному

току с помощью блокировочного конденсатора 6 Линия 3 гальва­ нически соединена с подложкой. Через отводы 8 и 7 к смесителю подаются напряжения сигнала и гетеродина соответственно.

Преобразователь на ТД с внешним гетеродином может быть вы­ полнен также на коаксиальных линиях (рис. 7.13). В таком преобра­ зователе туннельный диод / соединен с внутренним стержнем коак­ сиальной линии 2 и через фильтр 3 — с наружной оболочкой линии 2. От резонатора, настроенного на /с, с помощью петли связи 4 сигнал вводится в линию 2. Уровень напряжения сигнала подби­ рают поворотом петли в магнитном поле резонатора.

'313

Напряжение гетеродина подводится к ТД через коаксиальную линию 5, причем амплитуду напряжения подбирают так, чтобы внут­ реннее сопротивление ТД было равно волновому сопротивлению ли­ нии 2. Регулировка ведется винтом 6 и зондом 7, емкостно связан­ ными с внутренним стержнем линии 2. Дисковое сопротивление 8, равное волновому сопротивлению линии 9 от гетеродина, создает нагрузку гетеродина, которая не зависит от положения зонда 7. Линия «муфта 10— винт 6» длиной 7/4 является изолятором. По­ стоянный ток и ток частоты fa идут через 4, 1 и контур LC1, настроен­ ный на /п. Фильтр 3 — разомкнутая линия длиной 7/4 создает в плоскости ТД короткое замыкание и не пропускает ток частоты fv в контур LC1.

При малой мощности гетеродина преобразователь дает большое усиление и коэффициент шума, близкий к коэффициенту шума уси­ лителя на ТД, Однако из-за критичной настройки и малого динами­ ческого диапазона такой режим практически нецелесообразен. При мощности гетеродина порядка 1 мВт и рабочей точке на падающем

участке характеристики можно получить устойчивое усиление боль­ ше 1 и коэффициент шума — 8—16 дБ.

7.6.СМЕСИТЕЛИ СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ

Всмесителе принимаемый СВЧ сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты, при этом диод используется в качестве не­ линейного активного сопротивления. Диод помещают в смеситель­ ную секцию (коаксиально-волноводную, полосковую или микропо-

лосковую), к которой подводят мощности сигнала и гетеродина, и соединяют его со входной цепью УПЧ, служащей нагрузкой диода по промежуточной частоте.

Из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диода про­ текающий через него ток под воздействием напряжений частот сиг­ нала /0 и гетеродина /г содержит составляющие как гармоник час­ тоты /г, так и комбинационных частот вида \mfc ± nfa\, где т, п — целые числа.

Падение напряжения на входном контуре УПЧ создает только комбинационная составляющая тока разностной, или промежуточ­ ной частоты fa — [ /г — fc. |. Это напряжение и представляет собой' полезный преобразованный сигнал.

Из всего спектра колебаний тока диода основное влияние на по­ тери преобразования сигнала в смесителе оказывают колебания

ние колебаний сигнала на зеркальную комбинационную частоту яв­ ляется вредным, так как при этом часть полезной энергии сигнала в виде колебаний частоты f3 бесполезно расходуется в нагрузке сме­ сителя для этой частоты. В частности, при широкополосной входной цепи смесителя колебания зеркальной частоты излучаются в цепь источника сигнала (антенну), которая в этом случае является на-

314

грузкой смесителя на частоте f3, и полностью или частично погло­ щаются ею.

Выпрямляющий контакт диода, используемый как нелинейное сопротивление, можно представить в виде шестиполюсника (одна пара полюсов для каждой из частот fc, f3 и /п) с соответствующими нагрузками на каждой паре полюсов ZH с, 2Н 3, ZB п. При этом ге­ теродин и цепь постоянного тока считают «встроенными» внутрь шестиполюсника. Нагрузками ZH с и ZH 3 является импеданс вход­ ной цепи смесителя со стороны выпрямляющего контакта (включая импеданс источника сигнала — антенно-фидерного тракта) вместе с паразитными элементами корпуса и полупроводниковой структуры диода на соответствующей частоте f0 и fs.

На частоте сигнала fD входной импеданс смесителя (нелинейного сопротивления) и его нагрузка Znc всегда приблизительно согласо­ ваны для обеспечения максимальной передачи сигнала Рс, т. е. представляют собой комплексно-сопряженные импедансы. Импеданс же нагрузки смесителя на зеркальной частоте fa в общем случае может быть произвольным. Смеситель, в котором ZH с =^= ZH а, на­ зывают «узкополосным» в отличие от «широкополосного»* ’, у кото­ рого ZH с — Zu з- Если во входной цепи смесителя нет узкополосных элементов (узкополосных РЗП, фильтров-преселекторов и пр.) нлч если при их наличии непосредственно перед смесителем установлен развязывающий ферритовый вентиль, то такой смеситель является «широкополосным», так как в диапазоне СВЧ при обычных промежу­ точных частотах (fn < 100 МГц) можно считать ZHC = ZH3. Прак­ тически такой смеситель широко распространен.

Частным и наиболее важным случаем «узкополосного» смесителя является смеситель с короткозамкнутой или разомкнутой цепью зеркальной частоты, когда ZH 3 = 0 или ZH 3 = со. В этих случаях^ как следует из теории, потери преобразования смесителя минималь­ ны.

Амплитудная характеристика смесителя линейна до уровней сигнала Рс < 100 мкВт. При Рс > 0,1... 1 мВт она становится не­ линейной, потери преобразования смесителя возрастают, а ампли­ тудно-частотный спектр выходного сигнала промежуточной частоты начинает искажаться.

Наиболее важными общими требованиями, предъявляемыми к электрическим параметрам смесителей СВЧ, являются: минималь­ ный коэффициент шума, достаточная полоса рабочих частот (широкополосность), минимальнаямощностьгетеродина (что позволяет ис­ пользовать маломощные гетеродины) и максимальная устойчивость К перегрузкам СВЧ мощностью (что облегчает защиту смесителя). Одновременное удовлетворение всех этих требований не всегда обя­ зательно.

*’ Здесь я далее термины «узкополосный» и «широкополосный» будем писать в кавычках, поскольку они используются только для характеристики нагрузки смесителя на частоте f3.

315

Полупроводниковые смесительные диоды

В качестве нелинейного сопротивления смесительных диодов наиболее широко применяют полупроводниковую структуру в виде контакта металл—полупроводник. Существуют две разновидности таких диодов, отличающиеся методом создания контакта: точечно­ контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шоттки (ДБШ).

У первых выпрямляющий точечный контакт создается прижимом заостренной металлической иглы-пружинки к поверхности полупро­ водника. ДБШ имеет выпрямляющий контакт почти столь же мало-

Рис. 7.14. Схематическое изображение структуры ДБШ с балочными вывода­ ми (размеры в микрометрах):

/ — ннзкоимпая полупроводниковая подложка; 2 — высокоомная эпитаксиальная пленка" полупроводника; 3 — диэлектрическаяпленка; 4 —балочные выводы’ из золота; 5 — кои-; такт с барьером Шоттки

го диаметра, что и ТКД, только плоский, образуемый напылением пленки металла на поверхность полупроводника. Благодаря более совершенной технологии изготовления у ДБШ контакт металл — полупроводник ближе к идеальному, чем у ТКД, вследствие чего параметры первого лучше второго. В частности, ДБШ обычно имеют меньшее сопротивление потерь и меньший коэффициент шума. С дру­ гой стороны, при работе без внешнего смещения ДБШ в ряде слу­ чае з из-за большей величины контактной разности потенциалов требуют большей мощности гетеродина, чем ТКД. Все современные смесительные диоды имеют структуру ДБШ, поэтому дальнейшие рассуждения будут относиться в основном к ним.

Эквивалентную схему смесительного диода легко получить, подключая в схеме на рис. 5.25 параллельно нелинейной емкости Спер нелинейное активное сопротивление запирающего слоя R. Последнее является единственно полезным для работы смесителя элементом этой схемы. Остальные ее элементы — паразитные, так как увеличивают потери мощности сигнала (г(10С, С„ер) и частотную зависимость импеданса диода (£пос, Скон). Конструктивно ДБШ

316

могут быть корпусными (рис. 4.35) и бескорпусными (рис. 5.24). В СВЧ ИС получают распространение ДБШ с балочными выводами (рис. 7.14), конструкция которых особенно подходит для микрополосковых схем. Диоды миллиметровых волн для волноводных сме­ сителей конструктивно выполняют в форме тонкой волноводной вставки, описанной в [91.

Для балансных смесителей выпускают разнополярные (прямой

иобратной полярности) подобранные пары диодов с нормированным

инебольшим разбросом параметров в паре. Обратную полярность диодов в миниатюрном корпусе и бескорпусных получают перевора­ чиванием диода в смесительной секции.

Параметры, которыми характеризуют смесительные диоды, вы­ пускаемые промышленностью, и называют паспортными, измеряют,

помещая диод в специальную смесительную секцию, представляю­ щую собой простейший «широкополосный» смеситель. Поэтому сле­ дует помнить, что паспортные параметры диода являются по су­ ществу параметрами такого «широкополосного» смесителя. К наибо­ лее важным электрическим параметрам диодов относятся потери преобразования, шумовое отношение, нормированный коэффициент шума и выходное сопротивление. Кроме того, диоды характеризуют максимальной величиной коэффициента стоячей волны входа Хст.отах и максимально допустимыми значениями рассеиваемой непрерывной (Ррас 1пах) и импульсной (Ри рас тдх) СВЧ мощности, а также энер­ гии пика (№свчи). Под пиком понимают короткий СВЧ импульс длительностью 5—10 нс.

Потери преобразования диода характеризуют уменьшение мощ­ ности сигнала СВЧ (Рс) при его преобразовании в сигнал промежу­ точной частоты (Рич) и равны отношению номинальных мощностей этих сигналов: —

диода на промежуточной частоте (с учетом шума источника сигнала) по сравнению с мощностью шума обычного резистора и равно

тоты на выходе диода в полосе частот Пп, равной полосе пропуска­ ния УПЧ; /гТ0П[( — номинальная мощность теплового шума резис­ тора в той же полосе частот.

При измерении пш влияние шума гетеродина исключают и обычно используют промежуточную частоту, равную fa = 30 МГц. У раз­

317

диоэлектронных устройствах, использующих эффект Допплера) из-за влияния низкочастотного шума диода величина пш существен­ но возрастает [9].

По определению коэффициент шума диодного смесителя равен

Тогда общий коэффициент шума смесителя с УПЧ вычисляют по формуле

Лс п — -^сд + £Прб — 0 ~ ^пьб(пш + Лп — 1), (7.19)

где Nn — коэффициент шума УПЧ.

Обобщенным параметром смесительного диода является норми­

Выходное сопротивление гаЫхсд представляет собой активную составляющую сопротивления диода на промежуточной частоте. Сопротивление гВЫхсд учитывают при выборе оптимальной связи смесителя с УПЧ для получения минимального коэффициента шума УПЧ, а также при подборе диодов в пары для балансных смеси­ телей. У различных ДБШ сопротивление гвыхсд лежит в пределах

150...700 Ом.

КСВ входа смесительной секции с диодом /<стутах характери­ зует разброс СВЧ импеданса диодов в измерительной секции и для различных типов диодов лежит в пределах 1,3—3.

Максимально допустимые мощности Ррас ma!t, Трастах и энер-

меньшей длине волны). При превышении этих уровней возможно не­ обратимое ухудшение параметров диода или выгорание его выпрям­ ляющего контакта.

Параметры и характеристики ряда смесительных ТКД и ДБШ сантиметровых и миллиметровых волн приведены в табл. 7.1 [101. Указанная в таблице величина Рг соответствует мощности гетеро­ дина, при которой измерены параметры диодов.

Рг, напряжения смещения 7/0, сопротивления нагрузки в цепи вы­ прямленного тока диода Ро и импедансов нагрузки, ZB 6, Za3 на

318

Таблица 7.1

ный типа овальной таблетки с размерами 0,8X1X0,45 мм [10}, подобный изображенному-

СВЧ [91. В частности, существует оптимальная мощность гетеродина Рт опт, при которой коэффициент шума Nc п минимален. При от­ клонении от мощности Pt оп| величина Nca возрастает. При подаче положительного смещения Uo можно снизить величину оптимальной мощности гетеродина Рг опт. Мощность гетеродина, при которой из­ меряют паспортные параметры диода, приблизительно равна величи­ не Рг 0П1 для используемого при этих измерениях «широкополос­ ного» смесителя с УПЧ и при отсутствии влияния шума гетеродина.

Смесительная секция

Смесительная секция представляет собой СВЧ устройство, со­ держащее смесительный диод, в которое вводятся мощности сигнала Рс и гетеродина Рг, а на его выходных зажимах выделяется напря­ жение промежуточной частоты преобразованного сигнала Ua. К

частью смесителя, который включает в себя также устройство связи

319

3 на рис. 7.15, а, б). Входное сопротивление последнего близко к короткому замыканию в достаточно широкой полосе частот. Поэтому для СВЧ токов выходной вывод диода оказывается практически ко­ роткозамкнутым с заземленной пластиной МПЛ, оставаясь изоли­ рованным от нее для токов промежуточной частоты и /впсд. Вход-

а

а

Рис. 7.15. Примеры построения топологических схем микрополосковых смеси­ тельных секций:

Корпус для тока ПЧ н постоянного тока, 1 вп СД (на рисунке /о); 5 — бескорпусный диод

типа таблетки; 6 — режекторный фильтр СВЧ в цепи ПЧ; 7 — бескорпусный диод типа» приведенного на рис. 5.24.

ной же вывод диода должен быть для этих последних токов соединен с заземленной пластиной МПЛ (корпусом) для обеспечения замкну­ той цепи токов промежуточной частоты и /вп сд со стороны входа сме­ сительной секции. Это достигается использованием на входе секции

»высокоомного (U7 « 90... 100 Ом) короткозамкнутого (часто через отверстие в подложке) четвертьволнового отрезка МПЛ, подключен-