курсач / материалы / Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. Сиверса А.П. 1976г

Двухконтурный ППУ (ДПУ)

ДПУ представляет собой СВЧ устройство, содержащее резо­ нансные контуры, обязательным общим элементом которых являет­ ся нелинейная емкость диода (рис. 5.28). В ДПУ поддерживаются СВЧ колебания трех частот: сигнала ®с. накачки юнак и разностной,

ИЛИ ХОЛОСТОЙ чаСТОТЫ Юх = (йнак— сос.

Показанные на рис. 5.28 элементы Фс, Фх и Фнак представляют собой условные идеальные фильтры, пропускающие только частоты юс, юНак. а элементы Тс, Таак — реактивные четырехполюс­ ники, включающие в себя реактивности диода (АпоС, Скон) и резо-

Рис. 5.28. Эквивалентные схемы ДПУ (а) и его сигнального контура (б):

2. I — эквивалентные схемы соответственно полупроводниковой структуры диода (при воздействии накачки) и внешней по отношению к ней цепи контура сигнала.

нансного контура, а также трансформирующие элементы для связи с источниками сигнала (ес, Rc) и накачки (енак, RliaK) соответственно.

Кроме того, там обозначены: Xlt А'к — эквивалентные реак­ тивные сопротивления цепей сигнала и холостой частоты, внешних

ванные четырехполюсником Тс к клеммам полупроводниковой структуры диода. Сопротивление г„оС э представляет собой эквива­ лентное сопротивление потерь диода с учетом потерь в элементах кон­ струкции ДПУ (потери в проводниках и контактных соединениях, потери на излучение). Для расчетов параметров ДПУ следует принять гпос э /гпос = тэ/т = &с. где kc = 1,1 ... 1,3, причем нижний' предел соответствуетЮ ГГц, верхний — /с О 50 ГГц. В микрополосковых ППУ для указанных частотных пределов этот коэффи-’.

мощности накачки и обеспечения эффективной модуляции емкости, а тем самым и для получения максимального коэффициента тмодЭта цепь содержит настроечные элементы для компенсации реак­ тивных сопротивлений эквивалентной схемы диода на частоте юнан в Для согласования активных .сопротивлений диода гпОс’

252.

и генератора накачки /?нав. При расчете характеристик ДПУ цепи накачки и подачи смещения на диод во многих случаях можно не учитывать, если заменить нелинейную емкость Спер («) переменной СВ|.р (/) в соответствии с формулой (5.90).

Как следует из теории, процесс преобразования энергии накач­ ки в энергию сигнала с помощью переменной емкости Спер (!) эквивалентен внесению в контур сигнала импеданса [— R1B —

— jXiB + l/j<j)0C0], *имеющего отрицательную активнуючасть R1B. Поэтому в эквивалентной схеме контура сигнала (рис. 5.28,6) ем­ кость Спер (/) можно заменить этим импедансом. Обязательным усло­ вием внесения отрицательного сопротивления /?1В и, следовательно, появления усиления сигнала является существование колебаний холостой частоты <вх (т. е. наличие холостого контура) и поглощение их мощности в соответствующей нагрузке. Холостой контур должен быть изолирован от внешних по отношению к нему цепей и не дол­ жен содержать другого активного сопротивления нагрузки, кроме1 гпое э (рис. 5.28, а). В этом случае коэффициент шума ДПУ ми­ нимален, вследствие чего такая схема ДПУ используется чаще всего.

Сигнальная цепь содержит реактивные элементы для получе­ ния резонанса в контуре сигнала ыс и элементы связи, трансфор­ мирующие сопротивление источника сигнала Rc — W (т. е. волновое сопротивление линии передачи плеча 2 циркулятора) до величины R, (рис. 5.28, б). Последняя определяет коэффициент усиления мощности ДПУ Кр пу = Ра отр/Рс падСвязь между величиной /?,. требуемым усилением на резонансной частоте /с0 и параметрами диода выражается соотношением

«С '’пос 9Д;

Здесь /кр 9 — критическая частота диода в рабочем режиме накач­ ки с учетом потерь в конструкции усилителя. Динамическая доб­ ротность диода Q является важнейшим параметром ППУ, от которо-

Отношение р, = Rt/rnoc 8 называют «холодным» коэффициентом стоячей волны (КСВ) ППУ, который измеряют на входе последнего без циркулятора при выключенной накачке и настройке сигнальиого контура в резонанс. При практической разработке ППУ, под-

* При резонансе в холостом контуре сопротивление XiB = О.г

253’

гой стороны, для заданной величины Q (при КРпу = const) сущест­

Оптимальное отношение частот Лопт и соответствующая ему оптимальная частота накачки равны

(5.103)

/нак опт =/с (1 + ЛВг)=//^П-

Оптимальные частоты обычно и выбирают в качестве рабочих ча­

стот ДПУ. Однако при Q » 1 частота /нак опт оказывается очень высокой и поэтому практически трудно реализуемой. В таких случаях выбирают /аак раб < /нак опт> поскольку зависимость

254

fay (А) имеет при Q > 1 тупой минимум, что подтверждается также рис. 5.29: некоторое отклонение А от Лопт не приводит к зна­ чительному возрастанию Nny по сравнению с Nny min.

Коэффициент шума ППУ с учетом потерь реального циркуля­ тора между плечами 1—2 (L12) и 2—3 (L23) равен

^пу ц = Б]2Упу "Ь ^-12 (^-23 1)/К пУ ~ ^12^пу> (5.104)

где Nny и Кр цу — коэффициенты шума и усиления ППУ с идеаль­

= о)х/о)с, так и в значительной степени от добротности (полос про­ пускания) сигнального и холостого контуров. Последние, в свою очередь, определяются крутизной частотной зависимости суммар­ ных реактивных сопротивлений этих контуров Х12 = — 1/<всС0 иХхх = — 1/<вхС0 (рис. 5.29) на соответствующих резонансных частотах <вс0 и <вх0.

Эту крутизну удобно характеризовать так называемыми коэффи­

циент включения определяют как отношение производных по ча­ стоте, взятых от суммарного реактивного сопротивления простей­ шего контура, содержащего емкость диода Сп и сосредоточенную индуктивность, и реального контура ППУ, причем обе производные

Более наглядным является энергетическое представление твкя как отношение энергии электрического поля Wc, запасенной в ем­ кости Сй, к полной энергии электрического поля в контуре IFc +

к Со. На рис. 5.28 указанной части контура соответствуют реактив­ ные сопротивления Xt и Хх. Методы расчета твклс х на основе энергетического определения коэффициента включения рассмотре­ ны в [20].

Максимальный коэффициент включения твкЛ = 1 может быть только в одиночном простейшем БС-контуре на сосредоточенных элементах, содержащем индуктивность и емкость, во всех осталь­ ных случаях /пвкл < 1. В ДПУ колебательная система всегда боЛее или менее сложная, поскольку она должна иметь две резонанс­ ные частоты: <ве0 и х$. Поэтому в ней всегда твкл 0,х < 1- Как

255

следует из теории [20], в такой системе существует теоретический

Для получения максимальной полосы пропускания при проек­ тировании колебательной системы ДПУ стремятся сделать коэффи­

бательной системе, не содержащей компенсирующих реактивностей и фильтров для расширения полосы, равна

^вклс onT=(l+QM3^)-\ тВ1(л xon.Ml-M’/2/Q)-1. (5.1оЯ

Для расширения полосы пропускания ППУ используют компеяИ сирующие реактивные элементы и фильтры, позволяющие увеличит^! полосу Ппу до 3—4 раз. Методы такого расширения описаны в [1JB 19, 20]. Для этих же целей иногда используют каскадное соединений нескольких одинаковых ППУ (каскадов), работающих при малом коэффициенте усиления Дрпу и имеющих поэтому более широкую | полосу пропускания. Общий же коэффициент усиления каскадной схемы равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов.

Конструкции ППУ. По используемому типу линии передачи различают коаксиально-волноводные, полосковые и микрополоско-' вые Г1ПУ. В первых в цепи накачки используют волноводные эле­ менты, а сигнальный и холостой контуры обычно строят на коакси­ альных элементах. Для настройки контуров в резонанс применяют настроечные элементы: волноводные и коаксиальные короткозамыкающие плунжеры, настроечные винты и прокладки. Для получения максимальной полосы пропускания, т. е. максимальных коэффициен­ тов включения емкости диода /пвкл с х в холостой и сигнальный контуры, запас электрической энергии в отрезках линии передачи, образующих колебательную систему (резонаторы), должен быть минимальным. Это означает, что резонаторы, образующие холостой и сигнальный контуры, должны иметь простую структуру (мини­ мальное число отрезков линий) и минимальный электродинамиче­ ский объем (минимальную длину образующих их отрезков линий).

256

Пример конструкции коаксиально-волноводного ДПУ, исполь­ зующего корпусной параметрический диод, подобный изображен­ ному на рис. 4.35, а, приведен на рис. 5.30. Эта конструкция ДПУ (циркулятор не показан) в значительной степени соответствует эквивалентной схеме рис. 5.28, а и отличается от нее только тем, что контур сигнала (все коаксиальные элементы, начиная с транс­ форматора 4) полностью включает в себя элементы, образующие хо­ лостой контур (коаксиальные элементы ниже режекторного фильтра 6). Поэтому сначала настраивают холостой контур плунжером /, затем сигнальный трансформатором 4. Эти контуры изолированы от

плунжер для настройки холостого конту­ ра; 2 — волноводный плунжер для наст­ ройки цепи накачки; 3 — коаксиальный вход — выход сигнала; 4 —. подвижный трансформатор нмпедансов для настройки сигнальной цепи, 5, 6 — радиальные режекторные фильтры (четвертьволновые ко­ роткозамкнутые отрезки радиальной ли­ нии) для изоляции соответственно цепи накачки к холостого контура от цепи сиг­ нала; 7 — волновод накачки с согласую­ щим ступенчатым трансформатором импедансов; 8 — параметрический диод.

цепи накачки благодаря тому, что колебания частот /0 и /х не могут распространяться по волноводу накачки из-за запредельности по­ следнего для этих частот (критическая частота волновода накачки выше /с и /Д.

Примеры других коаксиально-волноводных конструкций ДПУ приведены в [2, 14, 17, 19, 20].

Рассмотрим топологическую схему полоскового йли микрополоскового ДПУ (рис. 5.31). Она представляет собой совокупность отрезков полосковой линии, образующую вместе с параметриче­ ским диодом колебательную систему, включающую в себя цепи сигнала, накачки и холостой частоты, а также элементы для развязки этих цепей между собой. Конденсатор 1 служит для разрыва ли­ нии по постоянному току (по цепи смещения Uo) и короткого замы­ кания для токов СВЧ. Требуемую степень связи диода с источником сигнала [требуемый «холодный» КСВ по формуле (5.99)] получают с помощью трансформатора 2. При последовательном включении диода в МПЛ один из его выводов соединяют с заземленной пласти­ ной короткозамкнутым шлейфом 7, чтобы замкнуть цепь напряже­ ния смещения.

В некоторых случаях предусматривают элементы для подстройки холостого и сигнального контуров в резонанс. Основными же спо­ собами их настройки после изготовления являются подбор напря­ жения смещения на диоде и подстройка частоты накачки для полу­ чения частоты = /яав — /с, равной резонансной частоте холо-

стого контура. Число отрезков полосковой линии и их длина долж­

нансного контура, образованного индуктивностью вводов Lnoo и емкостью Со параметрического диода (рис. 5.25). Прй этом холостой контур полностью реализуется на реактивных элементах экви- валентной схемы диода, которые в большинстве случаев являются сосредоточенными. Последнее и обеспечивает максимальный коэф­ фициент включения твкл х, так как в контурах, используюших распределенные реактивные элементы (отрезки линии передачи),

коэффициент включения емкости диода всегда меньше. Кроме того, v использование такого последовательного резонансного контура

258

в качестве холостого одновременно обеспечивает также его развязку от цепей сигнала и накачки без каких-либо специальных режекторных фильтров, так как на зажимах этого контура напряжение хо­ лостой частоты близко к нулю. Для замыкания токов холостой ча­ стоты в последовательном контуре диода к последнему подключают замкнутый полуволновый (Лх/2) или разомкнутый четвертьволно­ вый (Лх/4) отрезок линии в зависимости от того, требуется или не требуется с его помощью создать короткое замыкание по постоянному току (по напряжению смещения Uo). Рассматриваемый холостой контур, состоящий из индуктивности вводов Lnoe и постоянной со­

следний входят также емкость корпуса диода Скои (если она имеет­ ся) и высокоомный отрезок МПЛ, выполняющий роль настроечной индуктивности для получения резонанса на частоте сигнала. Пара­ метры диода стремятся подобрать такими, чтобы длина индуктивного

источника сигнала, поскольку входной со стороны диода импеданс индуктивного отрезка (нагруженного на малое сопротивление низ­ коомного трансформатора импедансов цепи сигнала) будет на ча­ стоте накачки большим.

не всегда удается использовать. При другом способе решения этой же задачи (рис. 5.32) вместо индуктивного отрезка МПЛ применяют разомкнутый шлейф llt который включают параллельно линии, со­ единяющей циркулятор с диодом. Длину такого настроечного шлей­ фа и его местоположение относительно диода подбирают такими, чтобы на частоте f0 скомпенсировать реактивную проводимость кон­ тура сигнала (настроить его в резонанс) и получить при этом не­ обходимый «ХОЛОДНЫЙ» КСВ pi = Ri/Гцос э-

К тому же отрезку МПЛ между циркулятором и диодом под­ ключают еще один разомкнутый шлейф длиной Анак/4 для предот­ вращения утечки мощности накачки в цепь источника сигнала.

Частота накачки подводится к диоду через полосно-пропускаю-

В результате ППФ обеспечивает развязку холостого и сигнального контуров от цепи накачки. Если используемый генератор накачки имеет волноводный выход СВЧ энергии (что обычно бывает при /ван > 30 ГГц), ППФ в цепи накачки не требуется, поскольку, как и в коаксиально-волноводном ППУ, волновод накачки выбирают запредельным для частот /с и При этом связь микрополоскового ППУ с генератором накачки осуществляют с помощью согласован-

ного волноводно-микрополоскового перехода того или иного вида (рис. 5.32) 114, 181.

Пример 5.5. Требуется рассчитать и спроектировать неохлаждаемый микрополосковый ДПУ 3-см диапазона волн (рис. 5.32).

Исходные данные: коэффициент шума Мпуц^ 3 дБ, резонанс­ ный коэффициент усиления Кр Пу ц = 15 дБ (включая потери в цир-

Рис. 5.32. Микрополосковая плата ДПУ с пятиплечным циркулятором:

/ — У-циркуляторы; 2 — согласованные нагрузки в виде пленочных резисторов; 3 — бло­ кировочный СВЧ конденсатор; 4 — режекторный фильтр в цепи подачи смещения на разомкнутых четвертьволновых шлейфах; 5 — режектирующий разомкнутый шлейф на частоту накачки; 6 — разомкнутый четвертьволновый шлейф для замыкания последова­

тельного холостого контура на реактивных элементах днода; 7 — параметрический диод! Я — цилиндрический штырь — зонд связи с волноводом накачкн; 9 — волноводно-микро-

полосковый переход; 10 — ферритовый диск; Н — металлизация ферритового диска; 12 — цилиндрический постоянный магнит; /ь /2 — реактивные шлейфы на частоте /с для

настройки контура сигнала в резонанс и получения при этом необходимого «холодного» КСВ в плоскости аа.

260