6. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Проведем анализ работы нескольких смесителей. На рис. 4.18 даны характеристики смесителя с ответвителем на четырех связанных линиях при различных расстояниях от ответвителя до диодов: вариант вариант — развязка сигнал — гетеродин; — отношение входных напряжений на диодах; — размеры соединительных линий между ответвителем и диодами; — размер линии между ответвителем и гетеродином, — длина волны. Коэффициент отражения гетеродина Лучшим по равномерности деления мощности является вариант 1, а лучшим по величине развязки — вариант 2.

Для получения минимального излучения мощности гетеродина через сигнальный вход и низкого коэффициента шума смесителя требуется достаточно высокая развязка между гетеродинным и сигнальным входами. Например, развязка в 10 дБ увеличивает коэффициент шума смесителя приблизительно на мощности гетеродина излучается. При развязке 20 дБ ухудшение коэффициента шума составляет и через сигнальный вход смесителя излучается около мощности гетеродина.

Таким образом, для получения достаточно больших развязок (25 дБ) в смесителях с ответвителями на связанных линиях необходимо применять сочетание соединительных линий, которое соответствует варианту 2, кроме того, применять парные диоды с коэффициентами отражения не более 0,1. Если диоды смесителя

не соответствуют указанному требованию, целесообразнее применять сочетание линий варианта 1.

По алгоритмам гл. 4.2 приведены исследования влияния режимов диода на входное и выходное сопротивления и потери преобразования. при этом (диод АА112А)

Рис. 4.18. Зависимости коэффициентов передачи от величины коэффициентов отражении диодов в смесителе с ответвителем на четырех связанных линиях при различных расстояниях от ответвителя до диодов:

Рис. 4.19. Зависимости для ДБШ входного сопротивления и сопротивления ПЧ от мощности гетеродина при различном положительном внешнем смещении: а — в широкополосном режиме работы по зеркальному каналу; б — в режиме короткого замыкания по зеркальному каналу; в — в режиме холостого хода по зеркальному каналу (значение следует умножить на )

Как видно из рис. 4.19, а, сопротивление входа в широкополосном режиме работы смесителя и напряжении смещения равняется 50 Ом при мощности гетеродина а при положительном внешнем смещении входное сопротивление равняется 50 Ом уже при Вт. Потери

преобразования не зависят от внешнего смещения. При режиме короткого замыкания по зеркальному каналу (рис. 4.19, б) входное сопротивление значительно уменьшается и достигает 50 Ом при мощности т. е. в два раза меньшей, чем в широкополосном режиме. Если учесть, что потери преобразования при этом падают до 1,8 дБ (рис. 4.20), то станет ясно, что режим по зеркальному каналу является лучшим режимом работы балансного смесителя. В режиме холостого хода по зеркальному каналу (рис. 4.19, в) потери преобразования еще ниже (1,2 дБ), но сопротивление настолько высоко, что его согласование с 50-омной линиек трудно осуществить в широкой полосе частот. В расчетах мощность гетеродина связана с напряжением следующим выражением:

С помощью математической модели диода исследована зависимость формы напряжения гетеродина на диоде от амплитуды его на выходе гетеродина и значений реактивностей диодов. При определенных значениях параметров обратное напряжение на переходе превышает амплитуду напряжения гетеродина почти в 2 раза (рис. 4.21). Это явление необходимо учитывать, так как оно может повлиять на стойкость диода к большим входным мощностям. Очевидно, можно так подобрать параметры диода, чтобы не было резонансов обратного напряжения.

На рис. 4.22 построены зависимости коэффициента подавления комбинационных составляющих частотного спектра однотактного смесителя на диоде Шоттки (с параметрами от номера гармоник частот гетеродина согласно выражений (4.11), (4.13), (4.14). Расчеты выполнены для напряжений сигнала с амплитудой в диапазоне СВЧ, причем ПЧ сравнима по величине с частотой сигнала [101]. Реакцию нагрузки необходимо учитывать, если емкостная составляющая тока (например, вычисленная по формуле (4.12) на соответствующей комбинационной частоте) сравнима с током проводимости диода. Если емкостная составляющая проводимости значительно меньше активной, то для расчета достаточно воспользоваться формулой (4.11).

Следует отметить, чем больше напряжение смещения и напряжение гетеродина, тем больше влияние нагрузки на величину подавления комбинационных составляющих (до 6 дБ), поэтому, если учитывать нелинейную емкость, то необходимо учитывать и нагрузку, особенно в режиме работы смесительных диодов с постоянным положительным смещением.

Рис. 4.20. Зависимости для ДБШ потерь преобразования от мощности гетеродина при различной нагрузке зеркального канала

Расчет по формулам (см. гл. 4.2) показал (для чем меньше напряжение гетеродина, тем больше величина подавления; при учете только активной проводимости [78] величина подавления

не зависит от напряжения гетеродина, поэтому такой расчет неточен; постоянное положительное смещение ухудшает подавление (при учете только активной проводимости величина подавления не зависит от внешнего смещения, что является некорректным); с увеличением напряжения гетеродина коэффициент подавления уменьшается быстрее, чем с ростом напряжения положительного внешнего смещения, поэтому при использовании диода в режиме, при котором диод согласован со стандартной линией передачи, подавление больше при использовании положительного смещения, чем при большей мощности гетеродина.

Рис. 4.21. Форма напряжения гетеродина на переходе диода с параметрами Ом при следующих значениях:

Рис. 4.22. Зависимость коэффициента подавления комбинационных составляющих частотного спектра однотактного смесителя от номера гармоник частот гетеродина и сигнала соответственно: с учетом нелинейной емкости и проводимости при Ом; с учетом только нелинейной проводимости при

Рис. 4.23. Экспериментальные характеристики работы Т-моста: а — в фазе; б — в противофазе; в — характеристики развязки; 1 - вход сигнала; 2 — вход гетеродина; 3, 4 — выходы моста

На рис. 4.23 показаны экспериментальные характеристики микроэлектронного Т-моста (см. гл. 4.5), выполненного на керамике толщиной 0,3 мм с который работает в полосе . С использованием этого моста выполнен макет работающего на этих же сигнальных частотах и имеющего Переход

на выходные МПЛ осуществляется в обоих БС с помощью сквозных штырьков, диаметр которых 0,5 мм. Применены диоды Шоттки из арсенида галлия, их последовательное сопротивление Ом, емкость при нулевом смещении коэффициент шума диода 1,17. Полное сопротивление диода на Ом при токе смещения 0,5 мА, который соответствует для данных диодов минимуму потерь преобразования. Пассивные проводники выполнены фотолитографическим способом; 500 А нихрома и 6000 А золота, нанесены с помощью вакуумного напыления. После этого слой золота доведен до 3 мкм с помощью химического осаждения с последующим фототравлением.

Рис. 4.24. Зависимость потерь преобразования ДБС от частоты сигнала (а) и развязки каналов гетеродина — промежуточной частоты; 5 — сигнал — гетеродина

На рис. 4.24, а показана зависимость потерь преобразования ДБС от сигнальной частоты для различных гетеродинных частот, а на — развязки между каналом гетеродина и сигнальным (или каналом Мощность гетеродина, поступающая на смеситель .

Пример 11. Рассчитать смеситель на МПЛ со следующими параметрами: полоса рабочих частот причем подавление зеркального канала дБ; всех комбинационных частот не менее 20 дБ; подавление шумов гетеродина на частоте сигнала 10 дБ; мощность гетеродина 5— 10 мВт.

Выбираем фильтровой способ подавления зеркального канала, так как требуемую величину подавления 40 дБ очень сложно получить фазовым способом. Промежуточную частоту выбираем такой, чтобы полоса входных частот не пересекалась с полосой зеркальных частот. Так как то По такому критерию можно выбрать МГц, тогда полоса гетеродина совпала бы на протяжении 50 МГц с полосой частот зеркального канала. Режекторный фильтр, подавляющий сигнал, проходящий по зеркальному каналу на сигнальном входе будет нарушать балансность моста для частот гетеродина на этом участке. Поэтому следует выбрать МГц. При 250 МГц МГц. Таким образом, выонраемый мост должен работать в полосе МГц, т. е. полоса частот составляет Выбираем мост Лэнжа, описанный в гл. 2

[32, 140]. Длина области связи в нем определяется для выбранного диэлектрика, (поликор с толщиной 1 мм) из выражения

где — скорость света; коэффициент укорочения длины волны (см. гл. 1).

Рис. 4.25. Эквивалентная схема смесительного диода для расчета (а); топология БС (б): 1 — мост Лэнжа; 2 — режекторный фильтр зеркального канала; 3 — согласующий четвертьволновый трансформатор; 4 — параллельный шлейф, компенсирующий реактивность диода; 5 — закоротка шлейфа; 6 — ФНЧ

При этом выбор БС позволил подавлять шумы гетеродина на сигнальной частоте. Выбираем диоды так как их рабочая частота выше заданной. Параметры диодов Ом; . Для нормальной работы данных диодов (хорошего согласования с линией передачи) в режиме по зеркальному каналу требуется мощность не менее 2,5 мВт. Заданная больше, что вполне достаточно для хорошей работы диодов без введения положительного смещения. Напряжение гетеродина на диоде можно определить по его мощности с помощью рекуррентной формулы: где — функция Этому соотношению в задаче удовлетворяет величина амплитуды гетеродина порядка 0,8 В. Используя формулу (4.5), получаем следующую матрицу проводимости диода,

По формулам вычисляем потери преобразования диода, входное и выходное сопротивления контакта диода Шоттки. . При согласовании диода в смесителе необходимо учитывать не только входное сопротивление самого нелинейного элемента перехода, также последовательное сопротивление растекания диода емкость корпуса и индуктивность выводов Эквивалентная схема реального диода изображена на рис. 4.25, а. Пересчитаем входную проводимость перехода диода к концам выводов днода с помощью формул

пересчета комплексных проводимости и сопротивления для параллельного соединения в последовательное и наоборот:

где и X — активная и реактивная составляющие полного сопротивления перехода.

Затем к добавим последовательное сопротивление и перейдем к параллельному соединению для возможности учета

где — проводимость перехода с учетом последовательного сопротивления диода.

В результате таких преобразований получим входное сопротивление реального диода

При согласовании смесительного диода величина нагрузки должна быть сопряженной с

(см. скан)

Необходимо отметить, что расчет и согласование диодов следует выполнять в смесителях с учетом фильтров по зеркальному каналу, если таконые предполагаются в схемах приемников. В противном случае, при включении смесителя в приемное устройство, в котором имеется фильтр, произойдет рассогласование диода.

Рассчитаем входное сопротивление диода при условии, что емкость перехода — величина постоянная и с учетом эквивалентной схемы днода (рис. 4. 25, а). Входная полная проводимость перехода, Подставляя это значение в формулу (4. 29), получаем входное полное сопротивление последовательно включенных активной и реактивной составляющих проводимости диода: Ом. Используя выражение (4. 28), находим входную полную проводимость диода, эквивалентной параллельному соединению активной и реактивной составляющих диода:

Мощность гетеродина, потребляемая диодом, мВт. Согласовывать днод с лннней передачи необходимо по входным величинам или самого днода.

Трансформатор, согласующий входное сопротивление диода с линией, имеющей волновое сопротивление 50 Ом, рассчитываем по методике, изложенной в гл. 5. Таким образом, получаем топологическую схему смесителя (рнс. 4.25, б). Такой смеситель имеет следующие параметры: потери преобразования 5,8 дБ; подавление зеркальной частоты более 15 дБ за счет

Таблица 8 (см. скан)

режекторного фильтра 2, который служит для создания КЗ по зеркальному каналу для уменьшения потерь преобразования и входного сопротивлении смесителя; подавление зеркального канала до 40 Б достигается дополнительным полосно-пропускающим фильтром на сигнальном входе смесителя, который легко рассчитать методами, рассмотренными в гл. 3; подавление комбинационных составляющих значительно больше 20 дБ, так как, согласно номограммы (рис. 4.3), они отсутствуют в полосе ПЧ; подавление шумов гетеродина 14 дБ за счет балансности смесителя Подробный анализ смесителя и оптимизацию его схемы можно выполнить, используя ЭВМ.

Более сложные примеры разработанных в настоящее время СВЧ смесителей приведены в табл. 8 [77]. Двойной балансный смеситель работает в широком диапазоне частот 1...18 ГГц. Недостаток — двустороннее расположение проводящих линий сигнала и гетеродина с точным совмещением их рисунков, размещение диодов в ограниченном пространстве с выводами диодов на обе стороны подложки. Камертонный смеситель построен по БС и имеет частотный диапазон до октавы. В смесителе на копланарно-щелевом трехдецибельном НО весь рисунок расположен с одной стороны подложки. Развязка сигнал — гетеродин получается за счет НО. Для построения смесителя с ПЧ, находящейся в СВЧ диапазоне, можно использовать ДБС на комбинации ЩЛ и МПЛ. Резкий рост потерь в ЩЛ обнаружен на частотах ниже 400 МГц. Частотный диапазон до 0,5 октавы вследствие наличия узкополосных четвертьволновых переходов с микрополосковой линии на щелевую и наличия щелевого кольца для съема сигнала ПЧ. Широкополосный смеситель на комбинации МПЛ и ЩЛ, волноводным аналогом которого является смеситель на основе двойного волноводного тройника, имеет высокую развязку между входами. Смеситель трудно изготовить, так как требуется точное совмещение рисунков с обеих сторон платы. Широкополосный ДБС на ЩЛ технологически прост и имеет хорошие параметры в широкой полосе частот, рисунок расположен с одной стороны платы. Роль входных трансформаторов выполняют переходы с коаксиальных линий на ШЛ и трансформаторы импедансов, выполненные на ЩЛ для согласования с мостовой диодной сборкой, которая нагружает ЩЛ. Проводники ПЧ имеют индуктивный характер на СВЧ и поэтому большое входное сопротивление. Перпендикулярное расположение выводов ПЧ относительно ЩЛ увеличивает развязку гетеродин — ПЧ. Емкости имеют малое сопротивление на СВЧ и высокое на ПЧ. Отсутствие резонансных отрезков позволяет иметь широкую рабочую полосу, ограниченную снизу возможностями ЩЛ, а сверху — верхней рабочей частотой диода. Возбуждение осуществляется коаксиальным кабелем, разделка которого (особо отметим) проводится обязательно на токарном станке, а пайку проводят с особой тщательностью [77]. Эти технологические операции сильно влияют на параметры смесителя. Можно применять широкополосные стационарные переходы со ЩЛ на коаксиальную.