2. ВЫБОР АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Для преобразования сигнала в смесителях можно использовать туннельные, обращенные, варакторные, точечные диоды, транзисторы и диоды Шоттки. Туннельные и обращенные диоды не нашли широкого применения в СВЧ смесителях из-за большой подверженности выгоранию от СВЧ энергии, схемных сложностей и трудностей изготовления [121, 146]. Обращенные диоды, варакторы, транзисторы используются только в специальных случаях. Лучшими преобразователями частоты на СВЧ являются точечные диоды и диоды Шоттки. Однако по шумовым характеристикам и надежности работы диоды Шоттки прочно вытеснили точечные. Низкая величина шума диода Шоттки получена благодаря высокой чистоте применяемого полупроводника; использованию эпитаксиального материала с низким последовательным сопротивлением; методам фотолитографии, позволяющим создавать диод Шоттки с малыми площадями.

Вследствие использования эпитаксиального осаждения в технологии изготовления диодов Шоттки уменьшается величина произведения сопротивления растекания (последовательного сопротивления) на емкость контакта (металл — полупроводник) диода что соответственно увеличивает предельную частоту диода. Это весьма существенное обстоятельство, поскольку потери преобразования прямо пропорциональны произведению этих параметров диода. Кроме того, потери преобразования связаны со свойствами полупроводникового материала следующим образом:

где — диэлектрическая проницаемость полупроводника; — толщина эпитаксиального (активного) слоя; концентрация основных носителей; — подвижность носителей.

В настоящее время при изготовлении диодов Шоттки из кремния и из арсенида галлия используют эпитаксиальный материал -типа.

На более высоких частотах СВЧ диапазона предпочтительнее использовать диоды из арсенида галлия, так как у них выше предельная частота, что связано с более высокой подвижностью электронов в

арсениде галлия. Диоды Шоттки выпускают в стеклянных и керамических корпусах, а также бескорпусные (рис. 4.1).

Смесительный диод характеризуется следующими параметрами: потерями преобразования, относительной шумовой температурой, полным коэффициентом шума, сопротивлениями по радиочастоте (входным) и промежуточной (выходным).

Рис. 4.1. Корпусный (а) и бескорпусный (б) диоды Шоттки и их упрощенная эквивалентная схема

Потери преобразования смесительного диода выражаются отношением номинальной мощности подводимого СВЧ сигнала к номинальной мощности полезного сигнала промежуточной частоты. Они состоят из трех типов: Потери первого типа (потери рассогласования) зависят от степени согласования на СВЧ и зажимах. Потери второго типа связаны с наличием последовательного сопротивления и емкости перехода Потери третьего типа связаны с реальными потерями преобразования. Они определяются главным образом вольт-амперной характеристикой диода и нагрузками на СВЧ и ПЧ зажимах. Анализ эквивалентного смесителю линейного шестиполюсника с отдельными зажимами для напряжений сигнальной, промежуточной и зеркальной частот проведен в работе [58]. Параметры этого шестиполюсника можно описать через коэффициенты Фурье активной проводимости, зависящей от времени. Величины потерь преобразования и импеданса можно определить, воспользовавшись теорией линейных цепей и задаваясь различными условиями на зажимах для зеркальной частоты. В простейшем случае предполагается, что в диоде под воздействием напряжения гетеродина происходят следующие изменения нелинейной проводимости:

где — частота колебаний гетеродина; — время, — постоянная составляющая проводимости диода; Фурье состайляющая проводимости на частоте

Для определения потерь преобразования обозначим отношения проводимостей Определим потери преобразования для различных условий подавления зеркального сигнала [133]: зеркальный канал согласован нагрузкой

зеркальный канал коротко замкнут

зеркальный канал разомкнут

Относительная шумовая температура диода — это характеристическая величина шума, равная отношению мощности шумов диода и мощности шумов эквивалентного ему сопротивления. Наиболее важным критерием работы смесительного диода является полный коэффициент шума, который зависит от потерь преобразования смесительного диода, относительной шумовой температуры и коэффициента шума усилителя промежуточной частоты Обычно (или 1,5 дБ). Таким образом, — важнейшие параметры смесительного диода, которые для обеспечения низкого полного коэффициента шума должны быть минимальными.

Выходное сопротивление (по промежуточной частоте) смесительного диода совпадает с дифференциальным сопротивлением при подаче на диод мощности гетеродина. Его можно измерить практически. Теоретически входную проводимости (величину, обратную сопротивлению) и прозодикость по промежуточной частоте для различных, условий подавления зеркального сигнала определяют с помощью следующих выражений [133].

Входная проводимость в зависимости от нагрузки зеркального канала:

зеркальный канал согласован с нагрузкой

зеркальный канал на короткозамкнутой нагрузке

зеркальный канал на разомкнутой нагрузке

Проводимость по промежуточной частоте: зеркальный канал согласован с нагрузкой

зеркальный канал на короткозамкнутой нагрузке

зеркальный канал на разомкнутой нагрузке

Коэффициенты матрицы проводимости смесительного диода, представленного в виде эквивалентного линейного пассивного шестиполюсника, учитывающего только три частоты: сигнала, промежуточной и зеркальной, записывают [58] следующим выражением:

в котором предполагается, что и поэтому частоты сигнального и зеркального каналов равны со. Коэффициент передачи и входная проводимость смесительного диода определяются при согласованной нагрузке по и нагрузке по сигнальному каналу поэтому в систему уравнений (4.5) подставим: Получим систему уравнений

из которой

где — детерминант; — алгебраические дополнения матрицы проводимости (4.6).

Аналогично получают систему уравнений для нахождения выходной проводимости диода [93]:

из которой находят выходную проводимость

Если вычисляют все указанные величины при условии короткого замыкания по зеркальному каналу, т. е. при то полное сопротивление по ПЧ смесителя более низкоомное, чем с согласованным, и тем более с разомкнутым каналом зеркальной частоты и часто не требует согласования с предусилителем ПЧ (ПУПЧ) [134]. Поэтому коэффициент шума смесителя с ПУПЧ меньше, хотя теоретически потери преобразования смесителя при разомкнутом канале зеркальной частоты меньше, чем при короткозамкнутом. В этом случае диод представляет собой симметричный четырехполюсник и его входная проводимость равна проводимости на промежуточной частоте

Следует отметить, что ограничение числа (трех) пар полюсов эквивалентно короткому замыканию цепей всех гармоник и боковых частот. Найдем конкретные значения коэффициентов матрицы проводимости. Ток, протекающий через диод с барьером Шоттки [105],

где — параметры диода; — приложенное к диоду напряжение

— постоянное смещение; — амплитуда гетеродина с частотой со. Так как проводимость то для слабого сигнала [133]

где — модифицированная функция Бесселя порядка.

Сравнивая формулы (4.1) и (4.9), получаем коэффициенты активной составляющей проводимости

На высоких частотах СВЧ диапазона часто приходится учитывать не только активную, но и емкостную составляющую нелинейной полной проводимости диода. Реактивную составляющую коэффициентов матрицы проводимости можно получить, если вольт-фарадную характеристику диода Шоттки представить тригонометрическим рядом Вольт-фарадная характеристика для диода Шоттки имеет вид [105]

где — емкость контакта диода Шоттки без приложенного напряжения; — потенциальный барьер; — параметр диода, в зависимости от характеристики контакта.

В общем виде выражение для емкости контакта

где — гамма-функция от — переменная интегрирования.

Отсюда коэффициенты емкостной составляющей матрицы проводимости для

где - присоединенная функция Лежандра рода нулевого порядка степени аргумента которая частично табулирована в таблицах [107].

Диоды Шоттки для смесителей заданными характеристиками выбирают по основным параметрам. В настоящее время разработано и выпускается большое количество смесительных СВЧ диодов Шоттки. Параметры диодов, выпускаемых за рубежом и у нас в стране, приведены в табл. 5.

Таблица 5 (см. скан)

Часто смеситель обладает характеристиками сильноотличающимися от предсказанных. В большинстве случаев это объясняется тем, что генераторы выходных сигналов и выходная нагрузка не согласованы со смесительным диодом. Наибольшее совпадение предсказуемых и реальных параметров смесителя получается при правильном учете нагрузок, подключенных к полюсам ПЧ и при максимально возможном согласовании смесителя с гетеродином. Когда гетеродин не может обеспечить необходимой мощности и диод должен быть смещен по постоянному току, очень важна величина полного сопротивления в цепи смещения. Использование относительно простой резистивной цепочки смещения позволяет получить оптимальную линию нагрузки по постоянному току, когда потери преобразования и КСВ можно оптимизировать в широком динамическом диапазоне сигнала гетеродина [85]. Кроме того, можно улучшить свойства подавления комбинационных частот при сохранении оптимальных потерь преобразования. Алгоритм расчета цепей смещения для смесителей рассмотрен в работе [48].

Коэффициент подавления (КП) комбинационных составляющих спектра где можно определить, бели диод представить параллельным соединением нелинейных проводимости и емкости способом, рассмотренным выше, если в формулы (4.7) и (4.10) подставить не выражение (4.8), а где — амплитуда сигнала с частотой

Тогда ток проводимости любой комбинационной частоты частоты сигнала и гетеродина; — номера их гармоник, соответственно) [78]

и емкостный ток [30]

Реакция нагрузки по промежуточной частоте сильно влияет на величину подавления комбинационных составляющих, поэтому необходимо учитывать падение напряжения на нагрузке где — амплитуда тока промежуточной частоты. Выражения для токов, соответствующих комбинационным частотам для активной и емкостной составляющих, имеют вид [101]

(см. скан)