книги из ГПНТБ / Смогилев К.А. Радиоприемники сверхвысоких частот

Г л а в а IV

Преобразователи сверхвысоких частот

§ 4.1. Общие сведения о смесителях СВЧ

Смесители приемников СВЧ должны обладать низким коэффициентом шума и возможно более высоким коэффициен­ том преобразования. Особенно жесткими указанные требова­ ния становятся в случае, когда по ряду соображений нельзя применять УВЧ и когда первым каскадом приемника являет­ ся смеситель.

Из выражения для общего коэффициента шума приемника

следует, что, чем ниже коэффициент шума первого каскада и чем выше его коэффициент усиления, тем ниже общий коэф­ фициент шума приемника и тем слабее влияние последующих каскадов на величину коэффициента шума.

Втом случае, когда относительная шумовая температура УВЧ оказывается больше, чем у смесителя, а коэффициент усиления близок к .единице, УВЧ становится невыгодно при­ менять, и тогда первым каскадом выгоднее использовать сме­ ситель.

Вметровом диапазоне удовлетворительные результаты дают смесители на пентодах и триодах. Последние применяют­ ся также и на более высоких частотах, вплоть до 1000 Мгц, так как обладают более низким, чем пентоды, коэффициентом

шума.

Вдециметровом диапазоне применяются триодные и диод-

,ные смесители. Диодные смесители имеют более, низкий коэф­ фициент шума и находят применение вплоть до частот по­ рядка 3000 Мгц.

151

Усилители на электронных лампах еще полезнь! до частот порядка 3000 Мгц. В сантиметровом диапазоне в настоящее время практически применяются только параметрические уси­ лители и усилители на ЛБВ, а там, где ЛБВ использовать нельзя, в первом каскаде приемника используется кристалли­ ческий смеситель.

Многосеточные преобразовательные лампы в диапазоне СВЧ не применяются вследствие высокого уровня собственных шумов. Работа пентодных и триодных смесителей в диапазоне СВЧ в принципе не отличается от работы односеточных преоб­ разователей, описанных в первой части курса. Ниже рассмат­ риваются только диодные и кристаллические смесители, на­ шедшие широкое применение в дециметровом и сантиметро­ вом диапазонах волн.

§ 4.2. Диодный смеситель

На рис. 4.1 представлена принципиальная схема диодного смесителя.

Р

Так как напряжение гетеродина составляет единицы вольт, вольтамперную характеристику диода можно аппроксими­ ровать линейно-ломаной функцией, как показано на рис. 4.2.

152

Вследствие отсечки, косинус угла которой

cos п К ,

0 = —

Ur

анодный ток диода представляется в виде импульсов косинусоидальной формы, следующих с частотой гетеродина wr.

Текущее значение анодного тока диода, крутизна статиче­ ской характеристики которого равна ^д, равно

из рис. 4.2, изменяется во времени в соответствии с измене­ нием напряжения гетеродина и может быть представлена в ви­ де прямоугольных импульсов, следующих с частотой гетеро­ дина. В момент, когда через диод начинает протекать ток, крутизна скачком (в идеальном случае) достигает максималь­ ного значения Sa и становится равной нулю, когда ток пре­ кращается. Изменение крутизны обеспечивает, как известно, принципиальную возможность преобразования.

Рассмотрим работу схемы при наличии сигнала. ' Пусть

Ис = UzCOS ((Вс t -f- фс)--

153

К исследуемой цепи приложено теперь два внешних напря­ жения: напряжение гетеродина ( иг) и напряжение сигнала (ис ), сумма которых равна сумме напряжений на диоде (и),

на цепочке RC(U0) и на колебательном контуре, который настроен на промежуточную частоту,

иг ~Ь ис — и -4- U0-f- ипр;

где

Ипр НПр COS (wnp t —|—фпр)*

Следовательно, мгновенное значение напряжения на диоде

и = иг — Uо+ ис — ипр,

амгновенное значение тока диода

i= /(и ) = / ( и г —1 /0 + нс — ипр),

где / (и) — аналитическое выражение вольтамперной статиче­

Вследствие малости ис и ипр членами, которые содержат (ис — ипр) в степени выше первой, можно пренебречь, тогда для тока диода получим:

Функции / ( иг— Uо) И / ' (иг— Uо) выражают соответствен­ но мгновенные значения тока диода и крутизны при отсутст­ вии сигнала и, как показано на рис. 4.2, являются периодиче­ скими, изменяющимися с частотой гетеродина. Разлагая эти функции в ряды Фурье, соответственно получим:

154

Раскрывая в последнем выражении скобки и представляя произведения косинусов в виде соответствующих сумм, можем

155’

1 5КUnpcos [(£шг -)- шпр) t -)- српр — ...

(4.4)

2

Из (4.4) следует, что ток диода можно представить в виде ■суммы большого числа составляющих, среди которых имеются составляющие не только частоты гетеродина и его гармоник, но также составляющие промежуточной частоты, частоты сиг­ нала и ряд комбинационных частот.

Комбинационные частоты описываются следующими выра­ жениями

Рассмотрим составляющие тока диода, частоты которых соответствуют настройкам резонансных элементов в цепи.

Последовательно с диодом включены два резонансных ко­ лебательных контура — входной I и выходной II, настроенные соответственно на частоту сигнала и на промежуточную ча­ стоту. Поэтому в цепи диода будут действовать, главным об­ разом, три переменных напряжения: напряжение частоты сиг­ нала, напряжение частоты гетеродина и напряжение промежу­ точной частоты.

Если преобразование ведется с использованием k-ой гармо­ ники напряжения гетеродина А = 1 , 2 , 3...), то выходной колебательный контур настроен на промежуточную частоту, которая равна:

шпр = шс — ki»r.

Составляющая тока промежуточной частоты в соответст­ вии с (4.4) при этом равна:

*'пр = - ^ S K £ Л c o s [ ( сос — k(i>r) t - f - фс] — So UnpCOS (u>np £ - |- c p np). ( 4 . 6 )

Первое слагаемое в (4.6) появляется в результате дейст­ вия напряжения гетеродина и сигнала, второе — в результате действия напряжения промежуточной частоты и наличия по­ стоянной составляющей крутизны.

Составляющая тока частоты сигнала

ic = S0 t/ccos(wc£ + ®c) —-^ 5 к(ЛРсоз|(£шг + шПр)*+<рпр], (4.7)

:156

i

где первое слагаемое обязано действию напряжения сигнала и наличию постоянной составляющей крутизны, а второе — действию напряжения гетеродина и напряжения промежуточ­ ной частоты.

Здесь мы встречаемся с явлением обратного преобразова­ ния: в цепи появляется составляющая тока частоты сигнала за счет действия напряжения частоты гетеродина и напряже­ ния промежуточной частоты.

Преобразование с использованием £-ойгармоники напряже­ ния гетеродина при к ф \ называется комбинационным. Ком­ бинационное преобразование используется в том случае, когда гетеродин для обеспечения высокой стабильности ча­ стоты работает в области более низких частот, где использует­ ся кварцевая стабилизация.

В выражения (4.6) и (4.7) входят слагаемые, которые являются гармоническими функциями времени. Поэтому, нс пользуя комплексные амплитуды, можем эти выражения пред-. ставить в следующем виде:

Выражения (4.8) устанавливают связь входных электриче­ ских величин — тока и напряжения частоты сигнала, с. вы­ ходными — током н напряжением промежуточной частоты, н позволяют найти все основные характеристики диодного сме­ сителя: параметры преобразования, коэффициент преобразо­ вания и входное сопротивление.

§ 4.3. Параметры преобразования и коэффициент преобразования диодного смесителя

Связь между выходным током промежуточной частоты и входным • напряжением частоты сигнала устанавливается с помощью крутизны преобразования (5пр), которая опреде­ ляется как отношение амплитуды тока промежуточной часто­ ты к амплитуде напряжения сигнала при постоянном или рав­ ном нулю напряжении промежуточной частоты

'пр

'п р

(Л £/„р= 0.

157

Из (4.8,а) при UnP = 0 (что соответствует короткому замы-

тсанию выходной цепи) с учетом (4.3,6) находим:

6 \sin k 0

(4.9,а)

kit

Связь между выходными напряжением и током устанавли­ вается с помощью внутреннего сопротивления преобразования Ri пр (величина обратная ему — проводимость преобразова­ ния), которое определяется как отношение амплитуды напря­ жения промежуточной частоты к амплитуде тока промежуточ­ ной частоты при постоянном или равном нулю напряжении

частоты сигнала. Последнее условие ( Uc = 0) соответствует, короткому замыканию во входной цепи и наличию источника напряжения промежуточной частоты

напряжения промежуточной частоты совпадает с положитель­

ным направлением тока. В случае отсутствия сигнала (£/с = 0) в выходной цепи предполагается источник напряжения про­ межуточной частоты, который, при том же направлении напряжения, что и в первом случае, воздает ток, направление которого противоположно направлению тока в первом случае. Поэтому в выражении и стоит знак минус.

Внутренний коэффициент преобразования (Рпр) опреде­ ляется как отношение амплитуды напряжения промежуточной частоты к амплитуде напряжения сигнала при постоянном или равном нулю токе промежуточной частоты, что соответст­ вует разомкнутому состоянию выходной цепи:.

= ^пр

Р-пр

£Л

1 5 8

Коэффициент преобразования по напряжению определяет­ ся отношением выходного напряжения промежуточной часто­ ты ко входному напряжению частоты сигнала при конечном значении величины сопротивления выходного колебательного контура (ZKnp), настроенного на промежуточную частоту

Замечая, что напряжение промежуточной частоты

£ЛтР —- -AiP ^эк пР)

из (4.8,а) найдем модуль коэффициента передачи:

или с учетом параметров преобразования:

Заменяя в (4.10) параметры преобразования их выраже­ ниями через угол отсечки 0 для случая резонанса, когда

^ э к пР —1^? экпР> получим:

На рис. 4.3 представлены зависимости коэффициента пре­ образования от угла отсечки 0 при различных значениях но­ мера гармоники k и при S^R3KпР = 50.

159