16.2.3. Параметры смесителей

Анализ [10, 145, 150, 188, 239, 260] смесительных свойств полупроводниковых диодов на сверхвысоких частотах показывает, что преобразование обусловлено воздействием мощности местного гетеродина на барьер. Все полупроводники имеют один и тот же предел изменения сопротивления, определяемый максимальным значением коэффициента при V в показателе степени уравнения (16.19); этот коэффициент равен

Активную проводимость диода можно разложить в ряд Фурье по частоте гетеродина. Если к этой проводимости прикладывается напряжение с частотой сигнала, можно получить уравнение цепи в значениях токов промежуточной частоты, зеркальной частоты и бесконечного спектра других частот. Поведение смесителя может быть определено через коэффициенты ряда Фурье активной проводимости и полную проводимость цепи переменного тока смесителя на всех частотах. Если высокочастотный источник одинаково согласован со смесителем на частоте сигнала и на зеркальной частоте, смеситель будет широкополосного типа в противоположность узкополосному, когда нагрузка для зеркальной частоты соответствует холостому ходу или короткому замыканию. Обычно используются смесители широкополосного типа.

В процессе смешения диод вносит потери преобразования определяемые [204] как отношение номинальной мощности входного сигнала к номинальной мощности сигнала на промежуточной частоте. Таким образом, коэффициент потерь при широкополосном преобразовании никогда не может быть меньше 2, так как сколько энергии сигнала преобразуется и поглощается в нагрузке для зеркальной частоты [100, 288], столько же преобразуется и поглощается в нагрузке для промежуточной частоты.

Наименьшие возможные потери, обусловленные барьером, были вычислены Маккоем [144] и показаны на рис. 16.9, а сплошной линией, как функция сигнала гетеродина в произвольных единицах. Сопротивление растекания полупроводника и емкость барьера действуют как паразитные элементы и увеличивают в раз, где определяется уравнением (16.23). Наименьшее паразитное уменьшение происходит от деления дополнительных потерь поровну между двумя элементами, как показано на рис. 16.9, а пунктирными кривыми; они относятся к характеристике германиевого диода на частоте При условии равного возрастания потерь преобразования, вызванных паразитными элементами, действительные потери преобразования можно представить приближенным выражением

где потери, обусловленные только одним барьером. Для типичного кремниевого или германиевого диода второй член в круглых скобках приблизительно равен около 2,7, так что потери преобразования на частоте равны 8. Такие высокие потери связаны с большим уровнем напряжения гетеродина, приводящего к увеличению шумовой температуры; типичное значение ее на частоте равно 7000° К.

Рис. 16. 9. Потери преобразования и шумовая температура смесителя с точечным контактом: а — вычисленные значения потерь преобразования как функция параметров кристалла; б - экспериментальные значения потерь преобразования и шумовой температуры. (См. [144].)

Теоретически и экспериментально было показано [162, 163], что имеет минимальное значение, определяемое выражением

где количество основных носителей, а обусловлено как примесями, так и рассеянием от решеток. Некоторые данные [379] удовлетворительно работающих полупроводников приведены в табл. 16.1; приводимые в ней значения N дают максимум величины Видно, что некоторые соединения группы III-V обладают высокими уровнями запретной зоны и подвижностью и низкими диэлектрическими постоянными. Исчерпывающих сведений обо всех материалах нет, но, например, расположены в порядке уменьшающегося предпочтения использования на миллиметровых волнах. Можно добиться уменьшения величин - на порядок [164], применяя микротравленную структуру, в которой точечный контакт малой площади сделан на полупроводящей мембране, толщина которой мала по сравнению с радиусом контакта. Такая структура дает также малый шум

мерцания и высокую мощность рассеяния. Минимальная толщина благодаря применению современной технологии составляет приблизительно так что значение составляет около 1 ом, включая сопротивление контактной пружины. Предложены диоды, основанные на полусферическом переходе [274].

Таблица 16.1 Свойство полупроводников

Полное последовательное сопротивление в любой момент времени гетеродинного цикла имеет шумовую температуру, зависящую от сложной комбинации теплового шума в сопротивлении растекания, дробового шума в барьере и шума мерцания. На практике к современным кристаллическим диодам можно подводить небольшое напряжение местного гетеродина; некоторые величины потерь преобразования и коэффициента шумовой температуры для кристалла на частоте приведены на рис. 16.9, б, где можно видеть, что для выпрямленного тока существует широкий оптимум Коэффициент шумовой температуры смесителя увеличивается на величину за счет преобразованного шума гетеродина; его влияние сильнее, когда отношение промежуточной частоты к высокой частоте мало, но оно может быть уменьшено до разумной величины путем надлежащего контактирования схемы [20, 104]. Усилитель промежуточной частоты также вносит шум, который можно представить членом ; усиление на промежуточной частоте обычно достаточно высокое, так что пересчитанный в предыдущий каскад приемника уровень этого шума пренебрежимо мал. Таким образом, общий коэффициент шума диодного смесителя и приемника определится уравнением

Общие шумовые характеристики смесителя для двух типичных образцов диодов приведены на рис. 16.10. Комбинация этих кривых с коэффициентом шума типичной усилительной лампы промежуточной частоты типа образует широкий оптимум для

промежуточной частоты в области около Подобные результаты получены [252] для кремниевых диодов и германиевых диодов Эксперименты с приемником на частоте 24 Ггц [43] показали, что оптимальная частота для обычных усилителей промежуточной частоты находится в области около а при использовании на входе малошумящей лампы — около для работы на миллиметровых волнах желательны даже еще более высокие промежуточные частоты.

Рис. 16. 10. Общий шум смесителя как функция промежуточной частоты. Кривые нанесены для двух различных значений коэффициента шумов кристалла и для одного значения коэффициента шумов (См. [260].)

Особые задачи возникают [212] при конструировании устройств для работы в широкой полосе частот.

Уравнение (16.38) показывает, что шумы смесителя можно уменьшить, если работать при низких температурах: на практике возможный предел определяется запретной зоной полупроводника. Эксперименты с германиевыми диодами на частоте показывают среднее уменьшение коэффициента шума на 2 дб при понижении температуры от 370° до 230° К. При более подробных измерениях [2] с этими диодами улучшений при температуре 77° К не обнаружено, но в области температур от 170 до 220° К уменьшение коэффициента шума по сравнению с комнатной температурой составляет дб. По-видимому, чтобы получить заметное улучшение при низких температурах, необходимо регулировать плотность примесей или других особенностей конструкции; в этом смысле являются перспективными новыми материалами. Так

как GaAs обладает [351, 360] сравнительно высоким уровнем запретной зоны, то он оказывается пригодным для устойчивой работы при высоких температурах. Измерения показывают, что статистические характеристики очень слабо изменяются [237] в диапазоне температур от 77 до 387° К, а хорошая эффективность выпрямления сохраняется [110] до 620° К.