logo

Главная Полупроводниковые приборы Диоды СВЧ Смесительные диоды

Диоды сверхвысокочастотные: Смесительные диоды

Печать
Схемотехника - Схемотехника и конструирование схем

 

Смесительные диоды используются для преобразования сигналов СВЧ в сигналы промежуточной частоты. Преобразование частоты сигнала происходит за счет нелинейности характеристик смесительного диода. А именно: на смесительный диод подается исходный сигнал частотой \(f_с\) и сигнал гетеродина частотой \(f_г\), из-за нелинейности характеристики диода в выходной цепи проходят токи различных комбинационных частот, с помощью колебательного контура, настраиваемого на промежуточную частоту \(f_с – f_г\), выделяется сигнал промежуточной частоты.

В качестве смесительных СВЧ-диодов могут использоваться: обращенные диоды, варикапы, точечно-контактные диоды, диоды с барьером Шоттки или диоды Мотта. В настоящее время наибольшее распространение в смесителях сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн получили точечно-контактные диоды и диоды с барьером Шоттки. На рис. 2.8‑1 приведены ВАХ диодов различных типов. Диод Шоттки обладает более крутой по сравнению с точечно-контактым диодом вольт-амперной характеристикой, большим напряжением пробоя и более высокой механической прочностью. Однако диод Шоттки требует большей мощности сигнала гетеродина (2...10 мВт для диодов из арсенида галлия и 0,5...1 мВт для кремниевых диодов). Большая крутизна ВАХ обращенных диодов позволяет им работать при мощности гетеродина 0,1...0,2 мВт.

 

Типовые вольт-амперные характеристики смесительных диодов различных видов

Рис. 2.8-1. Типовые вольт-амперные характеристики смесительных диодов различных видов

 

Основным физическим эффектом, использующимся в работе смесительного диода, является нелинейная проводимость барьерного слоя, поэтому смесительные диоды часто называют варисторами. Остальные характеризующие смесительные диоды свойства (сопротивление потерь, нелинейная емкость и т.п.) являются паразитными и приводят к потере мощности преобразования. Нелинейность емкости, как правило, вызывает преобразование сигнала на высшие комбинационные частоты, что является вредным эффектом. Однако существуют специальные режимы работы смесительных диодов, в которых используется не только нелинейная проводимость, но и нелинейная емкость. Благодаря этому комбинированному режиму в общем случае удается снизить потери преобразования и коэффициент шума преобразователя, но для реализации такого режима требуется повышенная мощность гетеродина.

Основными специальными параметрами смесительных диодов являются: потери преобразования (\(L_{прб}\)), нормированный коэффициент шума (\(F_{норм}\)), выходное сопротивление (\(r_{вых}\)) и др. (таб. 2.8‑1).

 

Потери преобразования (\(L_{прб}\)). Одним из основных параметров, характеризующих работу любого смесителя, является коэффициент передачи номинальной мощности (\(K_{P ном}\)), который вычисляется как отношение выходной мощности сигнала на промежуточной частоте к его падающей мощности на высокой частоте (\(K_{P ном} = \cfrac{P_{вых пч ном}}{P_{с ном}}\)). В связи с тем, что в диодных преобразователях частоты \(K_{P ном} < 1\), вместо коэффициента передачи мощности чаще используется обратный ему параметр, называемый потерями преобразования (\(L_{прб} = \cfrac{1}{K_{P ном}} = \cfrac{P_{c ном}}{P_{вых пч ном}}\)). Потери преобразования существенно зависят от режима работы смесителя. При малой мощности сигнала гетеродина (\(P_г\)) потери преобразования велики (\(L_{прб} \to \infty\) при \(P_г \to 0\)). С увеличением мощности гетеродина потери преобразования уменьшаются сначала довольно резко, а затем совсем незначительно. Для любого смесительного диода существует оптимальный режим работы, в котором обеспечивается наименьший уровень шумов смесителя (шумы смесителя определяются как потерями преобразования, так и шумовой температурой смесительного диода, т.е. мощностью сигнала гетеродина). Обычно \(L_{прб}\) указывается именно для такого оптимального режима (указываются значения падающей мощности \(P_{пд}\), частоты входного сигнала и температуры, при которых производилось измерение \(L_{прб}\)). В сантиметровом диапазоне однотактные диодные смесители имеют \(L_{прб} \approx {4,5...8 дБ}\), в миллиметровом диапазоне \(L_{прб} \approx {5...15 дБ}\). У смесительных диодов Шоттки потери преобразования как правило меньше, чем у точечно-контактных диодов.

Нормированный коэффициент шума (\(F_{норм}\)). В диапазоне СВЧ шумы диода состоят из тепловых шумов сопротивления потерь и шумов, обусловленных флуктуациями постоянной составляющей тока диода (дробовые шумы). Первая составляющая шумов определяется конструктивными особенностями диода и частотой входного сигнала, вторая — режимом работы диода и мощностью подаваемого на диод сигнала (сигнал гетеродина и полезный сигнал). Шумы смесительного диода принято характеризовать относительной шумовой температурой (этот параметр также называют выходным шумовым отношением смесительного диода). Относительная шумовая температура определяется как отношение полной мощности шумов на выходе смесителя к мощности тепловых шумов, создаваемых согласованным активным сопротивлением (равным дифференциальному сопротивлению диода) при той же температуре в той же полосе частот. В общем случае для коэффициента шума смесителя выполняется следующее соотношение: \(К_{ш см} = L_{прб} t_д\), где \(L_{прб}\) — потери преобразования, \(t_д\) — относительная шумовая температура.

На рис. 2.8‑2 представлена типичная зависимость относительной шумовой температуры и потерь преобразования диода от постоянной составляющей тока смесительного диода \(I_0\). На этом же рисунке указана и зависимость для коэффициента шума.

 

Зависимость характеристик диодного смесителя от постоянной составляющей тока смесительного диода

Рис. 2.8-2. Зависимость характеристик диодного смесителя от постоянной составляющей тока смесительного диода

 

Из приведенных зависимостей видно, что на начальном этапе (т.е. при малой мощности сигнала гетеродина) потери очень велики, они уменьшаются с увеличением тока сначала довольно резко. Однако при больших токах потери преобразования падают незначительно, в то же время существенно возрастают дробовые шумы смесителя (т.е. возрастает относительная шумовая температура смесительного диода). Поэтому в диодном смесителе существует оптимальное значение тока и, следовательно, мощности гетеродина, подводимой к смесительному диоду, когда обеспечивается наименьшее значение коэффициента шума смесителя.

Поскольку у диодного преобразователя коэффициент передачи мощности \(K_{P ном}\) меньше единицы, то на коэффициент шума приемной системы существенное влияние может оказывать шум УПЧ. Общий коэффициент шума диодного смесителя и следующего за ним УПЧ рассчитывается по формуле:

\(K_{ш \Sigma} = K_{ш см} + \cfrac{\left( K_{ш УПЧ} – 1 \right)}{K_{P ном}} = L_{прб} \left(t_{см} + K_{ш УПЧ} – 1 \right) \).

Для стандартизации справочных данных был введен, т.н. нормированный коэффициент шума (\(F_{норм}\)). Он вычисляется при условии \(K_{ш УПЧ} = {1,5 дБ}\). В сантиметровом диапазоне волн при использовании диодов с барьером Шоттки \(F_{норм} \approx {5...9 дБ}\) (при \(f_{пч} > {10 МГц}\)).

 

 

 

Конструирование схем




Все права защищены © 1997-2011 Перепечатка возможна только по согласованию с владельцем авторских прав. admin@club155.ru

Яндекс.Метрика               Сервер радиолюбителей России - схемы, документация,

 соревнования, дипломы, программы, форумы и многое другое!   схемы новости электроники