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 = 2,5 Ом, емкость при нулевом смещении С/ = 0,05 пФ, коэффициент шума диода 1,17. Полное сопротивление диода на / = 20 ГГц z = 20 - - /40 Ом при токе смещения 0,5 мА, который соответствует для данных диодов минимуму потерь преобразования. Пассивные проводники выполнены фотолитографическим способом; 500 А нихрома

о

и 6000 А золота нанесены с помощью вакуумного напыления. После этого слой золота доведен до 3 мкм с помощью химического осаждения с последующим фототравлением.

а

20 f,rru

30 20

19 5

20 f,rru

от час-

Рнс. 4.24. Зависимость потерь преобразования ДБС

тоты сигнала (а) и развязки каналов (б); 1Р^ = 13,7 дБ мВт; fr = 18,7 ГГц; г - Рр = 15.4 дБ мВт; /р = 20 ГГц; 3 - Рр = 14,5 дБ мВт; р = 20,7 ГГц; #- 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 ри:. 4.24, б - развязки между каналом гетеродина и сигнальным (или каналом ПЧ). Мощность гетеродина, поступающая на сме-сигель (14-15 дБмВг), 60-70 мВт.

Пример 11. Рассчитать смеситель на МПЛ со следующими параметрами: полоса рабочих частот Д/ = 4,8...5 ГГц, причем /р > /,; подавление зеркального канала = 40 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 (4,8- 5 ГГц) не пересекалась с полосой зеркальных частот. Так как > то Af = = (4,8 + 2/) - (5 + 2/ ). По такому критерию можно выбрать = 150 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 БС, будет нарушать баланс-ность моста для частот гетеродина на этом участке. Поэтому следует выбрать f > 250 МГц. Прн 250 МГц А^р = 5050...5250 МГц; Af = 5300...5500 МГц. Таким образом, выонраемый мост должен работать в полосе 4800...5250 МГц, т. е. полоса частот составляет 10 %. Выбираем мост Лэнжа, описанный в гл. 2

[32, 1401. Длина области связи в нем определяется для выбранного диэлектрика, (поликор с е = 9,8, толщиной 1 мм) из выражения

cj4Ky 5000 МГц = 6 см/4 2,51 0,6 см,

где Со - скорость света; у~- коэффициент укорочения длины волны (гм. гл. 1).

Прн этом выбор БС позволил подавлять шумы гетеродина на сигнальной частоте. Выбираем дноды ЗА112, так как нх рабочая частота выше заданной. Параметры днодов а = 35 В !; to = 10 А; Су - 0,23 IO-12 ф; г, = 8 Ом;

Ig = 0,2 10 Гн; С^ = 0,07 10 Ф. Для нормальной работы данных днодов (хорошего согласования с лннней передачи) в режиме КЗ по зеркальному кана-

Гетеродин wwwwv j

г=500м

г=500м

Рнс. 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 ьмлейф, компенсирующий реактивность диода; 5 - закоротка шлейфа; 6 - ФНЧ

лу требуется мощность не менее 2,5 мВт. Заданная больше, что вполне достаточно для хорошей работы диодов без введения положительного смешения. Напряжение гетеродина на диоде можно определить по его мощности с помощью рекуррентной формулы: Сг = 1/ 2Р^/з^, где - функция Этому соотно-

шению в задаче удовлетворяет величина амплитуды гетеродина порядка 0,8 В. Используя формулу (4.5), получаем следующую матрицу проводимости диода, См1

По формулам (4.2)-(4.4) вычисляем потерн преобразования диода, входное и выходное сопротивления контакта диода Шоттки; 5,8 дБ, R = = 115 Ом; /?рых= 45 Ом. При согласовании диода в смесителе необходимо учитывать не только входное сопротивление самого нелинейного элемента перехода, но также последовательное сопротивление растекания диода (rj), емкость корпуса (С^) и индуктивность выводов (L). Эквивалентная схема реального диода изображена на рнс. 4.25, а. Пересчитаем входную проводимость перехода диода = g + jCj к концам выводов днода АБ с помощью формул перв-

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

R=g/ig+с;); X=- c./(g+с;.). (4.27)

где R н X - активная и реактивная составляющие полного сопротивления Z = R + jX перехода.

Затем к R добавим последовательное сопротивление г, (Ri = R + rs) и перейдем к параллельному соединению для возможности учета

GRJ(rI+ Х^); В= XI[rI + Х^) (4. 28)

где Y - G -\- jB - проводимость перехода с учетом последовательного сопротивления диода.

В результате таких преобразований получим входное сопротивление реального диода

iR +rs)(R + 2Rrs+ rl + X) г

IR + rsV + lX+(oC (R + 2Rrs +rl + X)] (oCkj? + 2Rrs + rl + X) + X [R + 2Rts + r\ + X)

(4. 29)

[R + rs? + [X+ a.C (R + 2Rr, -rl+X)Y При согласовании смесительного диода величина нагрузки должна быть сопряженной с Z, т. е. Z = Z*.

Параметры

Диапазон частот Развязка сигнал - гетеродин, дБ КСВ:

входа сигнала

входа гете-зодина 1отери преобразован ня, дБ

ДБС на симметрирующих трансформаторах

Камертонный смеситель

1-18 ГГц

5,5-12,4 ГГц 13 3,5

Не нормируегся 10

Смеситель на комбинации ЩЛ и КЛ

0,5 октавы

1,5 1,5

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 Cj - величина постоянная н с учетом эквивалентной схемы диода (рис. 4. 25, а). Входная полная проводимость перехода. См, = \IR + jmCj%Л У. Х10 + / 7 10~*. Подставляя это значение в формулу (4. 29), получаем входное полное сопротивление последовательно включенных активной и реактивной составляющих проводимости диода: 2д 97-f / 51 Ом. Используя выраж^ ние (4. 28), находим входную полную проводимость диода, эквивалентной параллельному соединению активной и реактивной составляющих диода:

3-8,1 10-3+/ . 6,1 . 10-3.

Мощность гетеродина, потребляемая диодом, = Re дв\ 1 в' * Согласовывать диод с линией передачи необходимо по входным величинам 2д.вх или Уд самого днода.

Трансформатор, согласующий входное сопротивление диода с линией, имеющей волновое сопротивление 50 Ом, рассчитываем по методике, изложеД-ной 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 режек-

Таблица 8

ДБС на комбинации ЩЛ и МПЛ

Смеситель на комбинации МПЛ и ЩЛ

ДБС иа ЩЛ

ш

1-18 ГГц (20 %)

1,5 1,5 8

1-2 октавы 30

1,5-2

1,52

0,4-18 ГГц

20-30

1,3 1,5 8

торного 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-пропускагощим 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 волноводноготройника, 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 коаксиаль- ным 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.

Главв 5

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

i. требования к малошумящим усилителям свч и их параметры

Малошумящие усилители (МШУ) СВЧ обычно используют во входных цепях приемников для усиления входного сигнала, не искажая заложенную в этом сигнале информацию. К МШУ предъявляют следующие требования: сохранение работоспособности в требуемой полосе рабочих частот, низкий коэффициент шума, большой динамический диапазон, низкий КСВ входа и выхода, малая неравномерность АЧХ, высокая линейность ФЧХ, стабильность параметров при изменениях внешних условий (температуры, радиации и т. д.). Если МШУ используют в многоканальных системах (например, в фазированных антенных решетках), то добавляются специфические требования: высокая стабильность АЧХ и ФЧХ во времени, малая неидентичность АЧХ и ФЧХ и низкая стоимость.

Основные параметры СВЧ МШУ. Рабочий диапазон частот-это диапазон, в котором усилитель обеспечивает параметры не хуже величин, гарантированных изготовителем [53]. Рабочий диапазон задается граничными частотами: минимальной / и максимальной /в-Полоса частот вычисляется относительно средней частоты диапазона:

A/ = 2[(fB-M/(fB-f/и)] 100%.

Коэффициент шума - величина, показывающая, во сколько раз уменьшается отношение мощностей сигнал/шум на выходе по сравнению с входом из-за собственных шумов усилителя:

Кш - {Р с/Р ш)вх/(с/ш)вых-

Коэффициент шума можно измерять в децибелах, а также шумовой температурой (особенно при малых величинах), в Кельвинах

= (/Сш- 1)/290.

Коэффициент шума усилителя, который состоит из большого числа идентичных каскадов с усилением G и коэффициентом Кш, определяется выражением

где Мш - мера шума, с помощью которой легче минимизировать коэффициент шума усилителя.

Предельная чувствительность - величина входной мощности, при которой обеспечивается превышение уровня мощности на выходе усилителя над уровнем собственных шумов в 2 раза. Предельная чувствительность измеряется в децибелах относительно ватта (дБ Вт):

Япред = - 146 + Af -f + 3.