ПРОЕКТИРОВАНИЕ МИКРОВОЛНОВОГО ДИОДНОГО СМЕСИТЕЛЯ 7

УДК 621.382 ББК … С …

Синев А. Е., Тупицын А. Д., Шевченко С. А.

Проектирование микроволнового диодного смесителя: учеб.-метод. пособие к выполнению курсового проекта по дисциплине «Основы проектирования электронной компонентной базы». СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,

2015. 64 с.

ISBN …

Содержит указания по выполнению курсового проекта, направленного на приобретение опыта проектирования реального микроволнового прибора с помощью таких наиболее востребованных в среде разработчиков электронных приборов профессиональных программных продуктов, как AWR Micro-

wave Office, TCAD Synopsys и OrCad.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 210100.62 «Электроника и наноэлектроника».

Рецензент:

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебно-методического пособия

ВВЕДЕНИЕ

Учебно-методическое пособие к выполнению курсового проекта предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 210100.62 «Электроника и наноэлектроника» и профилям «Микроволновая электроника», «Электронные приборы и устройства», «Квантовая и оптическая электроника», проходящих обучение на кафедрах радиотехнической электроники, электронных приборов и устройств, физической электроники и технологии, квантовой электроники и оптико-электронных приборов.

Целью данного пособия является оказание методической помощи студентам, выполняющим курсовое проектирование по дисциплине «Основы проектирования электронной компонентной базы». В пособии приведены основные теоретические положения, лежащие в основе проектирования микроволнового смесителя, описана методика проектирования, выделены наиболее важные вопросы, определены основные понятия и термины, приведены особенности программных средств, используемых при проектировании, даны указания по эффективному использованию этих средств в процессе проектирования. Представлен список рекомендуемой литературы.

В результате выполнения курсового проекта студенты приобретают необходимый опыт работы с современными программными продуктами, которые наиболее востребованы на современном этапе при проектировании электронной компонентной базы.

3

1. НАЗНАЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ДИОДНОГО СМЕСИТЕЛЯ

Неотъемлемой частью любого канала связи, используемого для передачи аналоговых или цифровых сигналов в радиочастотном диапазоне, является приемопередатчик, который может также быть выполнен в виде отдельных приемника передатчика.

Рассмотрим структуру приемника. На сегодняшний день существуют четыре основные структуры (схемы) приемников [1]: прямого усиления с регенерацией и без регенерации, сверхрегенеративная и супергетеродинная. Схемы приемников с регенерацией и сверхрегенеративная сегодня встречаются достаточно редко, поэтому рассмотрим схемы прямого усиления без регенерации и супергетеродинную.

На рис. 1.1 приведена структура приемника прямого усиления. Здесь ВЦ

– входная цепь приемника, осуществляющая согласование антенны А с малошумящим усилителем МШУ для уменьшения потерь сигнала на отраже-

Рис. 1.1

ние, а также – выделение полосы частот, в которой осуществляется прием сигнала. Для максимизации соотношения сигнал-шум на входе МШУ ампли- тудно-частотная характеристика (АЧХ) ВЦ соответствует АЧХ полоснопропускающего фильтра (ППФ). В отличие от МШУ, обладающего минимальными собственными шумами, усилитель радиочастоты (УРЧ) оптимизирован для получения максимального коэффициента усиления. АЧХ УРЧ также соответствует АЧХ ППФ. Центральные частоты АЧХ ВЦ и УРЧ совпадают. С выхода УРЧ сигнал поступает на вход детектора (Д), который выделяет из принятого приемником высокочастотного модулированного полезным сигналом колебания низкочастотный сигнал, изменяющийся по закону передаваемого сообщения – детектирует сигнал. Продетектированный сигнал поступает на усилитель низкой частоты (УНЧ), который усиливает его до уровня, необходимого для оптимальной работы оконечного устройства (ОУ). В качестве ОУ может использоваться, например, громкоговоритель или, в случае передачи цифрового сигнала – цифровой сигнальный процессор.

Достоинством приемников прямого усиления является относительная простота, но они обладают невысокой частотной избирательностью и чувст-

4

вительностью. Чрезвычайно затруднена также перестройка с одной частоты принимаемого сигнала на другую при необходимости сохранения АЧХ приемника неизменной, так как при этом приходится перестраивать одновременно и синхронно несколько фильтров в ВЦ и УРЧ. На практике при этом изменяются АЧХ приемника и коэффициент усиления, т. е. чувствительность приемника. Изменение АЧХ означает внесение искажений в форму принимаемого сигнала и в его спектр (линейные искажения). Уменьшение чувствительности приемника можно компенсировать увеличением усиления, но лишь до того уровня, при котором возникает самовозбуждение приемника и он переходит в режим генерации незатухающих колебаний, при котором прием невозможен. Самовозбуждение возникает за счет того, что часть выходного сигнала приемника (с входа детектора) попадает на вход приемника, например – за счет паразитного электромагнитного излучения при неидеальной экранировке схемы. Передача с выхода на вход происходит также за счет наличия обратной передачи мощности в активных элементах – транзисторах

– усилителей, которая возрастает с ростом частоты сигнала, так как связана с проходными емкостями – емкостями между входом и выходом одного усилительного каскада. В качестве проходных емкостей в усилителях в зависимости от элементной базы и схемы включения могут выступать, например, емкости затвор-сток в полевых транзисторах или коллектор-база в биполярных. Самовозбуждение возникает на частоте, для которой выполняются условия баланса фаз и амплитуд [2], когда часть выходного сигнала попадает на вход приемника в фазе со входным сигналом, а затухание сигнала на пути выход-вход компенсируется усилением приемника (произведение коэффициента усиления приемника на коэффициент передачи по цепи выход-вход ≥ 1).

Для повышения чувствительности приемников и обеспечения высокой частотной избирательности и стабильности АЧХ при перестройке по частоте была предложена схема с преобразование частоты – супергетеродинная схема.

На рис. 1.2 представлена структура супергетеродинного приемника. Здесь преселектор включает в себя элементы, функции которых описаны выше, при рассмотрении структуры приемника прямого усиления. С выхода преселектора сигнал поступает на вход преобразователя частоты (ПЧ). В ПЧ

происходит перенос спектра полезного сигнала S '( f ) , примыкающего к

5

несущей частоте fс (рис. 1.3), в область промежуточной частоты fп – спектр

S( f ) .

Рис. 1.2

Для этого на смеситель (СМ), представляющий собой нелинейный элемент, воздействуют одновременно колебания входного сигнала и внутреннего генератора, имеющегося в приемнике – гетеродина (Г). В результате нелинейного преобразования спектра на выходе смесителя образуется теоретически бесконечный ряд комбинационных составляющих и гармоник входных колебаний с частотами f = ±nfг ± mfс, где n и m – целые числа. Одна из комбинационных частот используется в качестве промежуточной частоты fп.

Рис. 1.3

Часто это fп = fг − fс . Выбор промежуточной частоты в приемнике происходит в частотно-избирательном усилителе промежуточной частоты УПЧ, имеющем АЧХ ППФ. Промежуточная частота в приемнике фиксирована (УПЧ не перестраивается по частоте), поэтому АЧХ УПЧ неизменна и может быть приближена к АЧХ идеального ППФ – прямоугольной. Это позволяет минимизировать линейные искажения и обеспечить высокую частотную избирательность приемника. Перестройка fс с одного частотного канала приема на другой здесь осуществляется путем изменения частоты гетеродина – при фиксированной промежуточной частоте fп изменение частоты гетеродина fг

6

ведет к изменению частоты входного сигнала fс, спектральные составляющие которого попадут в полосу частот УПЧ и, соответственно, будут приниматься приемником.

Повышение чувствительности супергетеродинного приемника, по сравнению с приемником прямого усиления, достигается за счет того, что составляющие промежуточной частоты на выходе приемника (на входе детектора Д) не попадают в полосу рабочих частот приемника (преселектора) по входу

– fп ¹ fс , и поэтому не усиливаются. Это позволяет значительно повышать усиление в усилителях как высокой, так и промежуточной частоты без самовозбуждения усилителей.

Смеситель является одной из наиболее важных частей преобразователя частоты и супергетеродинного приемника в целом. Как уже отмечалось, смесителем может быть элемент, обладающий нелинейностью одной из его характеристик. Чаще всего – вольтамперной (ВАХ). Поэтому в качестве смесительных элементов нередко используются полупроводниковые диоды. Схема простейшего диодного смесителя изображена на рис. 1.4. Она состоит из смесительного диода Д и нагрузочного колебательного контура. Параллель-

Д

fг

fп = fг - fс

fс

Рис. 1.4

ный колебательный контур играет роль фильтра, выделяющего на выходе смесителя составляющую промежуточной частоты fп = fг - fс . Так как fп fс » fг , то на резонансной частоте контура, равной fп , эквивалентное сопротивление контура максимально, а на частотах fс и fг стремится к нулю. Поэтому сумма напряжений последовательно включенных источника сигнала и гетеродина приложена к диоду. В большинстве случаев напряжение сигнала много меньше напряжения гетеродина DUг , поэтому говорят,

7

что напряжение гетеродина изменяет дифференциальную проводимость диода yд ≈ Iд / Uд в зависимости от мгновенного значения напряжения бла-

годаря нелинейности его ВАХ – на рис. 1.5 второе приращение тока больше,

дина, приложенное к диоду; a1, a2 , a3, ... – коэффициенты ряда. Для упрощения рассмотрения работы смесителя ряд нередко ограничивают квадратичным членом, отбрасывая остальные. Подстановка Uд в ряд дает при этом следующие результаты:

i= I0 + a1Uг cos ωгt + a1Uс cos ωсt + 0,5a2Uг2 + 0,5a2Uc2 + 0,5a2Uг2 +

+0,5a2Uг2 cos 2ωг + 0,5a2Uс2 cos 2ωсt + a2UгUс cos(ωг- ωс)t +

+a2UгUс cos(ωг+ ωс)t.

Здесь первое, четвертое и пятое слагаемые – постоянная составляющая тока диода, шестое и седьмое слагаемые – вторые гармоники колебаний с частотами сигнала и гетеродина, а два последних – суммарные и разностные (комбинационные) составляющие. Имеются также токи с частотами сигнала и гетеродина.

Если не ограничиваться квадратичным членом ряда разложения ВАХ, то в спектре тока диода появятся все спектральные составляющие из ряда

± nfг ± mfc .

Главным недостатком простейших однотактных смесителей (см. рис. 1.4) является преобразование амплитудных и фазовых шумов гетеродина в сигнал промежуточной частоты. Это увеличивает собственные шумы смесителя, особенно в высокочастотной части диапазона сверхвысоких частот (СВЧ), где шумы гетеродина особенно велики. Другими недостатками являются высокая интермодуляция и заметные нелинейные искажения.

Для уменьшения влияния шумов гетеродина используются балансные схемы смесителей. Простейшие балансные смесители содержат два диода. Существуют также двойные балансные смесители, кольцевые и двойные кольцевые [3], [4].

Принципиальная схема балансного смесителя приведена на рис. 1.6. Здесь напряжение сигнала, приложенное к каждому из диодов VD1, VD2, одинаково и противофазно, а напряжение гетеродина на диодах – одинаково и синфазно:

Uc1 = Uc2 = Uc cos ωct , Uг1 = Uг2 = Uг cos ωгt .

Здесь Uc1 и Uc2 – напряжения сигнала, приложенные к диодам VD1 и VD2

соответственно; Uг1 и Uг2 – напряжения гетеродина, приложенные к диодам

VD1 и VD2 соответственно. Колебательные контуры в цепи гетеродина L1,

9

C1 и в цепи сигнала L3, C3 настроены на частоты ωг и ωс соответственно.

Рис. 1.6

Так как диоды включены встречно, то токи, гетеродином в цепях диодов, имеют противоположные знаки. Это приводит к тому, что они, протекая через первичную (левую) обмотку выходного трансформатора смесителя Т, взаимно компенсируются. При этом во вторичной обмотке, образующей контур L2, C2, напряжение не наводится. Токи же, порожденные напряжением сигнала, складываются в обмотке, наводя в выходной обмотке напряжение U пч. Таким образом, осуществляется подавление шумов и гармоник гетеродина в спектре выходного сигнала смесителя.

В диапазоне СВЧ трансформаторы, которые в совокупности с полярностью включения диодов в схему обеспечивают требуемые для подавления нежелательных спектральных составляющих фазовые соотношения напряжений на диодах, неприменимы из-за высоких индуктивных сопротивлений обмоток, их паразитных емкостей и т. д. Их роль выполняют отрезки линий передачи – волноводные, коаксиальные, полосковые [5] – соединительнораспределительные линии и устройства на их основе. Часто в качестве устройств, суммирующих мощности колебаний водного сигнала и гетеродина и распределяющих эту мощность между диодами смесителя, используются направленные ответвители [6] на микрополосковых линиях – двухшлейфные или трехшлейфные.

Топологическая схема такого смесителя (вид на металлизацию печатной платы) показана на рис. 1.7. Данный смеситель реализован с применением двухшлейфного направленного ответвителя с переходным ослаблением 3 дБ [6], состоящего из четырех отрезков микрополосковых линий разной ширины

– горизонтальных и вертикальных.

10