Для определения потерь преобразования обозначим отношения проводимостей y =g lgo. Определим потери преобразования для различных условий подавления зеркального сигнала 133]:

зеркальный канал согласован нагрузкой

Ls= 2(1 +vt)/(1-ku=lk), т)е = 27/(1+72); зеркальный канал коротко замкнут

зеркальный канал разомкнут

is = (1 + Kl-t)p)/(1 -Ку-fj;), т)р =7(1 ~у,)1(\ -у\} (1 + 72).

(4.2)

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 4 и коэффициента шума усилителя промежуточной частоты Кш. упч- Обычно Кш. упч=1,41 (или 1,5 дБ). Таким образом, и ш -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

ёГвх = go V(\ +Т2) (1 + 72 -271); зеркальный канал на короткозамкнутой нагрузке

= goV\~y\; зеркальный канал на разомкнутой нагрузке

вх = go кг= >(1-Т2)(1 +T2-27?)/(l-y?)-Проводимость по промежуточной частоте: зеркальный канал согласован с нагрузкой

ёГвых = go К(1 +72-2y?)/(1 + Y2); зеркальный канал на короткозамкнутой нагрузке

g b.x = go Kl - Y?;

(4.3)

зеркальный канал на разомкнутой нагрузке

Яв х = gok(l - 72)41 + 72 - 27р/(1 -7?).

(4.4)

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

§1

(4.5)

в котором предполагается, что (и„<а), и поэтому частоты сигнального и зеркального каналов равны со. Коэффициент передачи Ки = Un/Vc и входная проводимость смесительного диода Ybx = h/Uc определяются при согласованной нагрузке по ПЧ Y и нагрузке по сигнальному каналу Кз, поэтому в систему уравнений (4.5) под-

gl go + Уп

(4.6)

из которой

= /сД?2/А?; О, = /сД,/Дс; Ки=- А^/Ди; = Ас/Аш

где Ас - детерминант; А„, Ajj - алгебраические дополнения матрицы проводимости (4.6).

Аналогично получают систему уравнений для нахождения выходной проводимости диода [98]:

go + /ffiQ + У^ gi + ICi g2 + /(йСз

gl go gl

g2-iOiC2 gl-/ffiCi go-/СйСо+Кз

из которой находят выходную проводимость

Гв х = А'п/А

Если вычисляют все указанные величины при условии Короткого замыкания по зеркальному каналу, т. е. при У , = оо, 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

1591: Увх = У„ - Следует отметить, что ограничение числа (трех) пар лЛрлюсов эквивалентно короткому замыканию цепей всех гармоник и боковых частот. Найдем конкрегные значения коэффициентов мат-ибТ протекающий через диод с барьером Шоттки

I = i,[exp{aU)~l], (4.7)

где Io, а - параметры диода; U - приложенное к диоду напряжение

и = Uo + Ur cos (ot, (4.8)

а U - постоянное смещение; Ur - амплитуда гетеродина с часто-J?L проводимость g = dl/dU. то для слабого сигнала

11331

g = aio [ехр (aUo)] [ехр (aUr cos at)] =

= ai, ехр (af/ ) [Б„ (aUr) + 2 Б„ (af/,) cos nw/], (4.9)

где Б„ - модифицированная функция Бесселя л-го порядка.

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

gn =-a/oexp (aUo) Бп {aUr).

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 {1011. Вольт-фарадная характеристика для диода Шоттки имеет вид [1051

С-СДУб,р/Убзр-{/)Р. (4.10)

где С/ - емкость контакта диода Шоттки без приложенного напряжения! Кбар потенциальный барьер; ц-параметр диода, fi = = 1/2-1/3 в зависимости от характеристики контакта. В общем виде выражение для емкости контакта

п=1 о

I=iniCOSrt(Bi

где = Убар - f/ol Г(д) - гамма-функция от ц; Jc - переменная интегрирования.

Отсюда коэффициенты емкостной составляющей матрицы проводимости для ц = 1/2

где в„ 1/2(Уб/1/г)-присоединенная функция Лежандра 2-го рода нулевого порядка степени (Л-1/2) аргумента {VtlUr), KOfopan частично табулирована в таблицах [107].

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

Таблица 5

Гип диода

а и

ЗА110Б 15 2,5

ЗА111Б 10 3

ЗА112 10 3

3A1I4A 33-40

2А116А 3

ЗА117А 9

2А120А 10

НР5082-2565 3 1

НР5082-2713 9,4 1

НР5082-2723 16 1

АА113А 10

Примечание. Параметры кам, описанным в книге [105].

а £

в sia

II i оо> I к: 3

7,5 7 7 9 7 6 7 6

5,7-6 6,5 7,5

диодов с

X X С[ X

Л

X .

S а

ч

с ч

Is я

5.5 6 7

5,5 5

210-490 300-560 440-640 275-825 250-450 220-480 200-400

150-250 200-400 175 -350

1,6 1.5

1,3 2.5

1,5 15 1,3-2

1,5 10 1-3,5

1 берут из ТУ или измеряют

15 50 20 10 150 25

ето^и -

Часто смеситель обладает характеристиками сильноотличающи-мися 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 (КП/ц/ь, где 1зь-=У11($ь) + Ic(sb)) 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), ft f/= f/o-f -f f/г cos ft)f/-f с/с cos cйo где f/c - амплитуда сигнала с частотой

Юс- Тогда ток проводимости любой комбинационной частоты / = = s/c + 6/г (где/с, /г -частоты сигнала и гетеродина; s, fe -номера их гармоник, соответственно) [78]

4(5, 6) =-- 2toe 5s (ccUc) Бь (aUr) cos ((scoc ± bu>,) t], (4.11) и емкостный ток [30]

1фЬ) ==

-2g/(Vgap6)~

(sCi)c + бсОг) j

X sin (scoc + ймг) t- (4.12)

Реакция нагрузки по промежуточной частоте сильно влияет на величину подавления комбинационных составляющих, поэтому необходимо учитывать падение напряжения на нагрузке -Я/ц X X cos (Шг - (Ос) где /ц- амплитуда тока промежуточной частоты. Выражения для токов, соответствующих комбинационным частотам fsb для активной и емкостной составляющих, имеют вид [101]

= 2/о ехр (ai/o) (- 1)т Б, (а/?/ц) 5,+, (aU,) Bib+-,i (aU,) +

+ S (-l)5t( Ai)5s Ti(at/c)5b- (at/r)]cos(su)c -Юг); (4.13)

/с (si) =

-С/(1бар№/Г(и) jjf/. CD. ((5] (-1)7 5 X

.... = .

CO oo

+(wK.)./rx w; j S-i) /;,() (j X X I +vJ + S (-.). s, () £, (!) i - V,

;,(2-М)еЛ:

sin (scoc - bw) t. 78

X (4.14)

3. СХЕМЫ СМЕСИТЕЛЕЙ

По схемному построению микроэлектронные смесители обычно делят на три типа: смеситель на одном диоде, так называемый одиотактный смеситель (ОС); балансный смеситель (ВС) и двойной балансный смеситель (ДБС). Более сложные по функциональному назначению смесители рассматривать не будем.

Схемы ОС, БС и ДБС показаны на рис. 4.2 [19, 85]. Конструктивно вывод ПЧ сигнала для схемы СВЧ ДБС кольцевого типа выпол-

Рис. 4.2. Схема смесителя:

а - на одном дводе; б - балансного; в - ДБС по мостовой схеме; г - ДБС по

схеме звезда

нен с помощью конфигурации, названной Ortostar ТМ , и представляет собой комбинацию гибридного соединения и четырехдиодной звезды [791. Преимуществом схемы звезда (рис. 4.2, г) перед кольцевой (рис. 4.2, в) является наличие центрального узла (соединение четырех диодов), с помощью которого осуществляется непосредственное соединение с цепью ПЧ. Все три типа смесителей в значительно большей степени различаются по характеру спектра выходного сигнала, чем по электрической конфигурации их цепей. При преобразовании частоты возникают комбинационные составляющие, частоты которых лежат в полосе пропускания выходных фильтров смесителей, настроенных на ПЧ. На рис. 4.3 построена номограмма для определения возможных комбинаций гармоник сигнала и гетеродина ©г (651.