= 0,02 мм; для 2, = 115 Ом; wJh = 0,8; = 1,6 мм. Для ЩЛ расширение щели эквивалентно индуктивности, а сужение - емкости, т. е. обратно по сравнению с микрополосковой линией. Определяем по графику [155], что длина волны в линии Л меньше рабочей длины: для z = 30 Ом; Л/Я(,=

= 1 / Уч= 0.43; для г, = 115 Ом; ЛА = 0,49.

Для схемы рис. 3. 14 дляны нечетных отрезков определяем по формуле

/,;=arcsin(), =Т; 30= 1.29. 101 см/с; оц = 1.47 10i см/с.

Для viii: h = 6,44 мм; 1, = 14.3 мм; 1 = 16,2 мм; Z, = 16,8 мм.

Вычисляем длины отрезков линий передач, используя нижеприведенные выражения:

k = 2,4, ..., причем для щелевой линии С. = 0;

шЦ = sin + (/, , + + 2ш„1

скач*

i= 1,3, ... для МПЛ н КЛ L, = 0. Для рассматриваемого случая

А; =2,1

(3.5)

i( = - arc sin f

( =1.3 (On (

(OnLr

2v..

Hi., + /,+,) - 2(0пЛ

/b}. (3.6)

Рассчитываем сопротивление краевой индуктивности пои переходе от ЩЛ с большим волновым сопротивлением 115 Ом к линии с малым волновым сопротивлением 30 Ом (3. 1 г).

Для рассматриваемого случая ш = (о„; = = 115 Ом; е=9,6; ш = = гица -в:зо= 1.58 мм; Я, = 152,2 мм; Л = 2 мм;

п^-скач 6 2

115 152,2

О . 2\ -

1 (9,6-9 10 V 13 /

9,6 . 1,58

152,2

l (0,5 152,2+ 5 2) (9,6- 12) 8 . 152,2

8-/ +

0,101; 2Шп1скач = 2 . 0,101 115=23,2 Ом.

Вычисляем длины четных отрезков по формуле (3. 5):

= =31.2

29,2 10-3

(0; 44+ 1,43)

= 6,7 мм;

2 1,18 115

/i2 = 4= 31,2[33 . 10-3-0,00368(1,43+1,62) = б ,79 мм; Ло = /в = в = 31,2 [33,6 . 10-3 0,00368 (1,62 + 1,68)] = 6,69 мм.

По формуле (3.6) уточняем длины нечетных отрезков с учетом длин четных и скачка волновых сопротивлений:

/,5 = = П,Й arc sin

60,5-14,4.0.67 - 233

/.3=/3=11.8 arcsiп(Q --(Qf + Qe)-)) =7,12 мм;

/ 113- 14,4(0,679 + 0,669) -23

Zjj = = 11,8 arc sin /, = Z, = 11,8 arc sin

I jg- -= 7,76 mm;

/ 114 - 14,4 (0,669 + 0,669) - 23 j

,9 mm.

Уточняем длины четных отрезков с учетом новых нечетных: 1 = /,= = 7,96 мм; /ц = /4 = 8,57 мм; /ю = /g = /в = 8,68 мм. Дальнейшие уточнения теряют смысл, так как изменения незначительны.

Определяем ширину подводящей линнн: Н/Х^ = 0,013; Wo/h = 0,08; А = = 2 мм; шо = 0,16 мм.

Сравнение результатов расчетов полосковых фильтров. Проведем анализ входного ППФ с полосой пропускания 30 %. АЧХ фильтра (чебышевского типа) показана на рис. 3.15, а. Фильтр выполнен на

0,8 0,85 0.9 0.95 1 f,05 1,1 1,15 Wo

а

Рис. 3.15. ФЧХ н АЧХ шестнзвенного ППФ на связанных микрополосковых

линиях (а):

--рассчитанная по геометрическим размерам; - -заданная;----измеренная

и исследование АЧХ скатов этого фильтра (б): / -без отклонения в конструкции при изготовлении; 2 - при уменьшении зазора между связанными линиями иа 10 10- м; 3 - прн сужении полосок на 10 10 м; 4 - прн умень-шеиин толщины подложки на 10 %; 5 - при увеличении толщины слоя напыления иа 20 %; 6 - при уменьшении диэлектрической проницаемости подложки иа 5 %

связанных микрополосковых линиях и имеет 6 звеньев. Так как при синтезе предполагалось, что характеристика идеальная (без учета потерь мощности в металле, диэлектрике и на излучение), то измеренная полоса оказалась-уже заданной приблизительно на 2 %. Крутизна скатов на верхних частотах меньше, чем у заданной АЧХ, а потери в полосе пропускания больше. Центральная частота сдвинута вниз на 0,5 %, что вызвано неточным учетом при синтезе фильтра укорачивающего эффекта краевой емкости. На рис. 3.15, б приведены скаты рассчитанных АЧХ шестнзвенного ППФ при различных неточностях в изготовлении.

Изменения размеров зазоров и полосок мало влияют на АЧХ фильтра. Ширина полосы пропускания при этом меняется приблизи-

тельно на 0,2 %*. Увеличение толщины полосок оказывает также незначительное влияние на АЧХ; щирина полосы пропускания увеличивается на 0,4 %, а центральная частота сдвигается вниз на 0,2 %. Наиболэе сильно влияют на АЧХ изменения диэлектрической проницаемости пэдложки (кривая 6) и уменьшгние толщины подложки (кривая 4). Для кривой 6 полоса пропускания увеличивается на iO,5 % и сдвигается вверх на 2,5 %, для кривой 4 полоса пропускания сужается приблизительно на 1 % и передвигается вниз на 0,5 %. Сдвиг центральной частоты вниз или вверх можно корректировать, подбирая длину резонаторов, корректировка ширины полосы частот затруднительна. Поэтому при производстве фильтров на связанных микрополосковых линиях больше внимания необходимо уделять контролю толщины подложки и ее диэлектрической проницаемости.

Анализ ФЧХ (рис. 3.16) при перечисленных выше отклонениях подтверждает, что худшими являются кривые 4-6. Перечисленные отклонения могут внести следующие максимальные неидентичности: кривая 2-8°, кривая 5-4°, кривая -16°, кривая 5-18 , кривая 6 -50°. Неидентичности ФЧХ любых фильтров можно свести к нулю на частоте / = /о с помощью юстиро-вочных фазовращателей, однако при этим неидентичности на крайних частотах будут иметь значения, указанныг выше.

Рис. 3.16. Исследование скатов ФЧХ ППФ

Глава 4 СМЕСИТЕЛИ

1. ПАРАМЕТРЫ СМЕСИТЕЛЕЙ И ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМ

Смеситель используется для преобразования СВЧ сигнала р сигнал промежуточной частоты ПЧ. Преобразование сигнала в смесителе происходит на нелинейном активном сопротивлении диода. Работоспособность смесителя определяется следующими основными параметрами: потери преобразования, коэффициент шума, полоса рабочих частот, КСВ входа и выхода, подавление сигнала по зеркальному каналу, подавление комбинационных составляющих, развязка между

* Здесь н ниже процентыдаются относительно средней частоты.

сигнальным н гетеродинным входами, динамический диапазон, требуемая мощность гетеродина.

Потери преобразования смесителя Lc определяются как отношение входной мощности СВЧ сигнала Рвх.с (на входном сопротивлении смесителя) к выходной мощности сигнала на промежуточной частоте Рп., (на входном сопротивлении УПЧ). Обычно потери выражают в децибелах:

Le= 101g(PBX.c/n.,).

Потери преобразования смесителя складываются из потерь преобразования полупроводникового диода L , потерь рассогласования диодов по входу и выходу, а также потерь в пассивных элементах смесителя, например, в направленных ответвителях.

Коэффициент шума

Р IP

ВК. С' вх. 1

вых. c/в

где Рвх. с и Рвых. с - номинальные входная и выходная мощности сигнала; Рвх. ш и Рвых. ш - номинальные входная и выходная мощности шума.

Коэффициент шума смесителя является обобщенным параметром, который учитывает не только коэффициент шума диода Кш.ц и потери преобразования, а также коэффициент шума усилителя промежуточной частоты УПЧ Кш. упч- Коэффициент шума смесителя с УПЧ описывается уравнением

/Сш = Lc (/Сш. д + /Сш. УПЧ-!)

Подавление сигнала по зеркальному каналу определяется отношением мощности полезной промежуточной частоты к мощности ложного сигнала по зеркальному каналу Р^ и выражается в децибелах:

а:я.= ioig(p .,/P3).

Подавление комбинационных составляющих смесителя /СЯк= 101g(P . JPk),

где Рк -мощность комбинационной составляющей, попадающей в полосу ПЧ.

Величина подавления комбинационных составляющих смесителя складывается из величины подавления комбинационных составляющих на выходе однотактного смесителя и подавления за счет баланс-ности смесителя, а также его других конструктивных особенностей.

Развязка между сигнальным и гетеродинным входами определяет долю попадания мощности гетеродина во входной сигнальный тракт и выражается в децибелах.

К смесителям предъявляются следующие требования: высокая чувствительность устройства (определяющая обнаружительную способность приемника), характеризующаяся малой величиной коэффициента шума, что соответственно требует минимальных потерь

преобразования смесителя и собственных шумов входящих активных элементов; широкая полоса рабочих частот, которая в основном зависит от конструкции смесителя; хорошее подавление ложного сигнала по зеркальному каналу, а также комбинационных составляющих частотного спектра, что в свою очередь также требует большой развязки между полюсами; большой динамический диапазон принимаемых сигналов, характеризуемый как активными элементами, так и схемным построением смесителя; относительно низкая требуемая мощность гетеродина, которая определяется как качеством диодов, режимом их работы, так и конструктивным исполнением смесителя. Таким образом, выполнение требований зависит от качества выбранных активных элементов, режимов их работы, схемных и конструктивных построений.

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 Шотгки 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) /?j на емкость контакта (металл - полупроводник) диода С/, 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 е - диэлектрическая проницаемость полупроводника; d - толщина эпитаксиального (активного) слоя; N- концентрация основных носителей; \i - подвижность носителей.

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

сениде 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).

Потери преобразования смесительного диода /.д выражаются отношением номинальной мощности подводимого СВЧ сигнала к номинальной мощности полезного сигнала промежуточной частоты. Они состоят из трех типов: /.д= + + Lg. Потери первого типа Li (потери рассогласования) зависят от степени согласования на СВЧ и ПЧ зажимах. Потери второго типа Lt связаны с наличием по-

Рнс. 4.1. Корпусный (а) н бескорпусный (б) дноды Шотткн н нх упрощенная эквивалентная схема (в)

<Ж5

о

-А

следовательного сопротивления и емкости перехода С/. Потери третьего типа Z,j 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:

ё= S g COSn(u/ = go + 2 S gnCOSrtu)

(4.1)

где (О -частота колебаний гетеродина;./ - время, go - постоянная составляющая проводимости диода; g - Фурье сйСтайЛяЮщаяпро-во.{1,имости на частоте псо.