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

При изменении связи во входной или выходной цепях сме­ сителя коэффициент шума изменяется. Характер изменения общего коэффициента шума (рис. 4.11) примерно такой же,,

как и в усилителе.

При связи, несколько больше оптимальной, имеется мини­ мум. Медленное изменение коэффициента шума в районе ми­ нимума дает основание производить расчеты для случая пол­ ного согласования.

§4.7. Кристаллические смесители

Всантиметровом диапазоне диодные смесители оказыва­ ются менее эффективными, чем смесители кристаллические. Последние позволяют получить более высокий коэффициент преобразования и более низкий коэффициент шума.

Применяются кремниевые и германиевые кристаллические смесители. Германиевые применяются реже, так как обладают большим уровнем шумов. Эквивалентная схема кристалличе­ ского диода представлена на рис. 4.12, где Ri — нелинейное сопротивление контакта между кристаллом и вольфрамовой нитью 1 , С^— емкость контакта, R — объемное сопротивле­ ние кристалла 2 , L — индуктивность вольфрамовой нити.

Из эквивалентной-схемы следует, что, чем больше сопро­ тивление R и емкость С, тем меньшее напряжение сигнала

шением площади контакта, которая составляет величину по­ рядка 1 0 “ исл'-. Величина емкости С и сопротивления R для

170

современных смесителей лежат в следующих пределах:

С = (0,05-г-\)пф, 7? = (15-н40)ол/.

Незначительная площадь контакта определяет сравнитель­ но низкую электрическую прочность кристаллических смеси­ телей. Небольшие токи кристалла, порядка нескольких милли­ ампер, вызывают в месте контакта весьма большие темпера­ туры, так что тугоплавкая вольфрамовая нить расплавляется и контакт спекается. При эксплуатации необходимо обеспечи­ вать условия, при которых отсутствует электрическая пере­ грузка Смесителя (допустимой является энергия порядка 0 ,1 эрг, при продолжительной работе допустима мощность порядка 1 0 мет, практически стараются обеспечить мощность порядка 1 мет).

Общая теория кристаллических смесителей в основном не: отличается от теории диодных смесителей. Различие заключа­ ется только в том, что вольтамперная характеристика кристал­ лического диода аппроксимируется мной зависимостью, чем характеристика вакуумного диода.

В случае диода вольтамперную характеристику можно аппроксимировать линейно-ломаной или, при более точном рассмотрении, экспоненциальной функцией вида:

где в среднем для многих ламп можно принять:

а0= 1 0 — •

в

17К

В случае кристаллического диода хорошие результаты по-

.лучаются при использовании в качестве аппроксимирующей функции следующей зависимости:

Для большинства кристаллических смесителей при измене­ нии напряжения и в пределах ± 1 в можно принять ^ = 0,25ма,

Вольтамперные характеристики вакуумного и кристалличе­ ского диодов иллюстрируются графиками рис. 4.13 и 4.14.

Оптимальное положение рабочей точки кристаллического

•смесителя примерно совпадает с началом координат, поэтому схема кристаллического смесителя представляется без цепоч­ ки RC (рис. 4.15).

Во избежание резкого возрастания обратного тока ампли­ туда напряжения гетеродина не должна превышать величины порядка Is.

Выбирая приемлемую аппроксимацию вольтамперной ха­ рактеристики кристаллического смесителя и пользуясь общей теорией, рассмотренной для случая вакуумного диода, полу­ чим те же общие выражения для/Спр,R b x , коэффициента шума

172

Различие здесь в том, что при аппроксимации статической характеристики экспонентой, коэффициенты разложения в ряд. Фурье представляются функциями Бесселя. Поэтому парамет­ ры преобразования получаются в следующем виде:

где а: = ал Ur, / 0 и /к — модифицированные функции Бесселя соответственно нулевого и к-го порядка, к-номер гармоники напряжения гетеродина, « 1 и гг находятся из вольтамперной. характеристики.

Зная параметры преобразования, можно найти основные характеристики кристаллических смесителей: Япр,/?Вх, р, А/’и др_ В инженерной практике часто бывает достаточно выбрать типовой смеситель и на основании известных эксперименталь­

ных данных выбрать его режим.

Основными показателями кристаллического смесителя, ко­ торые определяют, выбор режима его работы, являются коэф­ фициент шума и коэффициент преобразования или обратная

ему величина — потери преобразования | L—

В литературе даются зависимости (рис. 4.16) указанных показателей от постоянной составляющей тока кристалла (А>)>- так как в реальных устройствах настройка и контроль работы смесителя осуществляется именно по этому току. Так как мощ­

ность сигнала бывает мала, тс /о определяется в основном мощностью, поступающей в смеситель от гетеродина. Следова­

тельно, эти кривые описывают изменение коэффициента шума

173

боты смесителя, при котором достигается минимальный коэф­ фициент шума и минимальная, или близкая к минимальной

чем в сторону меньших токов. Поэтому рекомендуется под­ держивать либо оптимальное значение постоянной составляю­ щей тока кристалла, либо несколько большее его значение.

Рис. 4.16.

Постоянная составляющая тока кристалла зависит от мощ­ ности, которая подводится к смесителю от гетеродина.

Для обеспечения оптимального режима работы смесителя

Слабая связь необходима для того, чтобы только незначи­ тельная часть принятого полезного сигнала терялась в канале гетеродина, а также для того, чтобы ослабить собственные шумы гетеродина, поступающие на вход смесителя.

Практически гетеродин должен обеспечивать мощность, в 1 0 — 2 0 раз большую мощности, которая требуется для нор­ мальной работы смесителя, т. е. мощность порядка 1 0 — 2 0 мет.

С ростом связи возрастает амплитуда напряжения гетеро­ дина, а вместе с ней растет постоянная составляющая тока кристалла.

1 7 4

Последнее обстоятельство помогает объяснить ход кривых,

рис. 4.16.

При увеличении амплитуды напряжения гетеродина н-Пр растет сначала быстро, а затем медленно приближается к не­ которой постоянной величине, Пр — уменьшается. Поэтому на основании (4.29) можно утверждать, что с ростом ампли­ туды напряжения гетеродина растет.

Относительно коэффициента шума надо сказать следую­ щее. Когда связь гетеродина со смесителем отсутствует, /Ср —•О,

Л/’-г-оо. Последнее следует из известного соотношения:

N = 1 + ■

ш соб

<Кр где Р ш в х о т связи с гетеродином практически не меняется, Л и соб

с ростом связи растет за счет роста собственных шумов гете­ родина.

«При увеличении связи Др, как выше установлено, растет, поэтому до некоторого значения связи (V падает, при некото­ рой оптимальной связи достигает минимального значения, а затем снова начинает расти, так как Кр практически не ме­ няется, а Ли соб заметно растет за счет собственных шумов гетеродина.

§ 4.8. Конструкция смесителя сантиметрового диапазона

На рис. 4.4-7 представлен один из типов смесителей десяти­

тока, место его подключения отстоит от стенки объеМНОГО реЗО-

Хс натора на расстоянии примерно равном -g--

Ток промежуточной частоты и постоянная составляющая тока кристалла отводятся от смесителя с помощью коаксиаль­

ной линии А2. Для того, чтобы токи частоты сигнала и гете­ родина не проникали в цепь усилителя промежуточной ча­ стоты, на выходе смесителя предусмотрено фильтрующее устройство: разомкнутый на конце четвертьволновый отрезок линии (который эквивалентен параллельной емкости) и замкнутый на конце, включенный последовательно четверть­ волновый отрезок линии В (дроссель).

175

Сигнал гетеродина поступает в смеситель через небольшуюемкость связи С, которая в небольших пределах может регу­ лироваться. Емкостная связь осуществляется примерно на расстоянии четверти длины волны гетеродина (Хг) от места подключения объемного резонатора разрядника с таким рас­ четом, чтобы трансформировать небольшое сопротивление объемного резонатора, расстроенного относительно частоты гетеродина, в достаточно большое сопротивление и тем самым устранить шунтирующее действие объемного резонатора на цепь гетеродина.

Для согласования коаксиального кабеля, идущего от гете- ' родина к смесителю Лъ, используется 50-омное дисковое со­ противление G Для того, чтобы емкость связи не оказывала заметного влияния на нагрузку гетеродина, расстояние от ем­ кости связи до дискового сопротивления выбирается примерно

равным тт. При этом отсутствует трансформация сопротив­

лений и, следовательно, будет ослаблено влияние изменений емкости связи и сопротивления объемного резонатора.

На рис. 4.18 представлена принципиальная схема рассмот­ ренного смесителя.

В ней Р — объемный резонатор, настроенный на частоту принимаемого сигнала, Д в — индуктивность петли связи, Д-1 — эквивалентная индуктивность коаксиальной линии сме-

176

сйтеля (смесительной камеры), Сл — эквивалентная емкость Линии, Сфг — эквивалентная емкость примерно четвертьвол­ новой разомкнутой на конце линии, Lф2 — эквивалентная индуктивность замкнутого на конце примерно четвертьволно­ вого отрезка линии.

§4.9, Балансная схема смесителя

Впоследнее время получили широкое распространение балансные схемы смесителей, способные подавлять шумы гете­ родина. Их применяют в сантиметровом диапазоне, где в ка­ честве гетеродинов обычно используются клистронные гетеро­ дины, имеющие весьма высокий уровень собственных шумов.

Собственные или сопровождающие шумы клистронного генератора появляются вследствие флюктуации питающих на­ пряжений, изменения размеров объемного резонатора, катод­ ного дрейфа, дробового эффекта, случайного изменения вели­ чины и направления начальных скоростей электронов, Покидающих катод и т. д. Частотный спектр шумов клистрона без учета резонансных свойств объемного резонатора можно считать равномерным. Действие объемного резонатора приво­ дит к тому, что спектр шумов клистрона формируется в виде резонансной кривой этого резонатора.

Уровень мощности шумов клистрона значительно ниже уровня мощности генерируемой клистроном на частоте гетеро­ дина, поэтому действие шумов гетеродина на смеситель можно

рассматривать так же, как действие сигнала, без учета биений, которые образуются между составляющими самого шума.

При изучении работы смесителя необходимо учитывать те составляющие шумов гетеродина, которые после преобразова­ ния попадают в полосу пропускания УПЧ, т. е. составляющие, расположенные вблизи частоты сигнала и зеркальной частоты.

В результате действия шумов гетеродина коэффициент • шума приемника возрастает на 1 тЗ.-<Эб, поэтому желательно

осуществить подавление этих шумов. В балансной схеме сме­ сителя (рис. 4.19) это осуществляется следующим образом.

Напряжение сигнала возбуждается в первом и втором смесителях в противофазе ( ®с и срс -f- тт), а напряжение гете­ родина в обоих смесителях возбуждается в фазе (фг). На­ пряжение любой из составляющих шумов гетеродина в обоих смесителях возбуждается также в фазе.

В результате преобразования полезного сигнала появляется

т .е. во времени токи преобразованного полезного сигнала на­ ходятся в противофазе, но, так как диоды подключены навстречу к первичной обмотке высокочастотного трансформа­ тора, то действие этих токов в обмотке складывается.

Преобразованные шумовые токи через диоды протекают в фазе и, вследствие встречного включения диодов, компенси­ руются в общей нагрузке.

Эффект подавления шумов гетеродина в балансной схеме смесителя не изменится, если в фазе на смесители подавать полезный сигнал, а в противофазе сигнал гетеродина и его шум. Последнее легко проверить, учитывая фазовые соотно­ шения токов преобразованного сигнала и шума, а также встречное включение диодов.

17?