12.2. Диодный балансный смеситель свч диапазона

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют двухдиодные балансные смесители (БС). Схема БС (рис. 12.2) включает два смесительных диода Д1 и Д2 и СВЧ мост (квадратный или кольцевой). К двум плечам моста (например, 3 и 4) подключают смесительные секции, а к двум другим (1 и 3) подводят мощность сигнала и гетеродина.

Рис. 12.2. Диодный балансный смеситель.

Волновые сопротивления составляющих мост отрезков и подводящих линий (W), основных линий (W_л) и шлейфов (W_ш) находятся в следующем соотношении:

.

(12.13)

Длина основной линии моста и шлейфа вычисляется на средней частоте рабочего диапазона волн.

В БС применяют подобранные пары разнополярных диодов с малым разбросом параметров в паре. Наибольшее распространение получили простые широкополосные БС (рис.12.2) с относительной полосой до 20%.

Основными параметрами БС являются:

• потери преобразования ;

• шумовое отношение ;

• выходное сопротивление ;

• коэффициент подавления шума гетеродина ;

• коэффициент шума БС .

Исходными данными для расчета являются:

• параметры смесительных диодов (потери преобразования , шумовое отношение , выходное сопротивление );

• параметры СВЧ моста (потери , амплитудный и фазовый разбаланс).

Пример: Рассчитать параметры балансного смесителя со следующими исходными данными: рабочая частота , относительная полоса , коэффициент шума . Подложка БС выполнена из полистирола ( ; ) толщиной . Волновое сопротивление подводящих линий . Развязка между сигналом и гетеродином не менее . Материал проводников – золото с удельной проводимостью . Коэффициент шума УПЧ .

1. Выбираем смесительные диоды с барьером Шотки типа АА112Б, для которых , потери преобразования , шумовое отношение , .

2. Расчет начинаем с проектирования СВЧ моста. Учитывая то, что полоса частот является неширокой, выбираем двухшлйфный квадратный мост (рис.12.2) Определяем волновое сопротивление основной линии:

.

(12.14)

Для шлейфов .

Находим ширину полоски основной линии и шлейфа :

(12.15)

Эффективную диэлектрическую проницаемость вычислим по формуле:

.

(12.16)

Для основной линии , для шлейфов .

Длину четвертьволновых отрезков основной линии и шлейфов находим по формуле:

,

(12.17)

где –длина волны в воздухе: .

(12.18)

Рассчитаем потери в основной линии и шлейфах моста.

а) Потери проводимости.

Толщина скин-слоя в полосках:

.

(12.19)

Поверхностное сопротивление проводника:

.

(12.20)

Полные потери проводимости оцениваются по формуле:

.

(12.21)

Для основной линии и шлейфа имеем:

(12.22)

Потери проводимости отрезка основной линии и шлейфа соответственно равны:

(12.23)

б) Диэлектрические потери.

Погонные диэлектрические потери в подложке микрополосковой линии рассчитываются по формуле:

(12.24)

Диэлектрические потери в основной линии и шлейфе:

(12.25)

в) Полные потери шлейфа и основной линии моста соответственно равны:

(12.26)

г) Коэффициент стоячей волны (КСВ) входных плеч моста:

.

(12.27)

Развязка изолированного плеча (развязка между сигналом и гетеродином):

.

(12.28)

Потери моста:

.

(12.29)

На этом проектирование квадратного моста можно считать законченным.

3. Находим необходимую мощность гетеродина на входе БС, полагая оптимальную мощность гетеродина, равной паспортной ( ) и пренебрегая потерями моста:

.

(12.30)

4. Считаем, что смесительные диоды подобраны в паре, тогда:

(12.31)

5. Определим шумовое отношение гетеродина по формуле:

.

(12.32)

Величина зависит от типа гетеродина, частоты гетеродина и величины промежуточной частоты и лежит в пределах от единиц до нескольких десятков . Полагаем , тогда:

.

(12.33)

6. Общий коэффициент шума балансного преобразователя частоты определяется по формуле:

.

(12.34)

Полагая коэффициент подавления шума гетеродина равным , находим:

.

(12.35)

На этом можно считать расчет БС законченным.

Однако в схему БС необходимо включать высокочастотный дроссель (короткозамкнутый шлейф, длиной ) для замыкания постоянной составляющей тока диода.