Диоды сверхвысокочастотные: Смесительные диоды

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.

Рис. 2.8-1. Типовые вольт-амперные характеристики смесительных

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 (\(L_\)), нормированный коэффициент шума (\(F_\)), выходное сопротивление (\(r_\)) и др. (таб. 2.8‑1).

Потери преобразования (\(L_\)). Одним из основных параметров, характеризующих работу любого смесителя, является коэффициент передачи номинальной мощности (\(K_

\)), который вычисляется как отношение выходной мощности сигнала на промежуточной частоте к его падающей мощности на высокой частоте (\(K_

= \cfrac\)). В связи с тем, что в диодных преобразователях частоты \(K_

< 1\), вместо коэффициента передачи мощности чаще используется обратный ему параметр, называемый потерями преобразования (\(L_ = \cfrac = \cfrac\)). Потери преобразования существенно зависят от режима работы смесителя. При малой мощности сигнала гетеродина (\(P_г\)) потери преобразования велики (\(L_ \to \infty\) 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 \(L_\) указывается именно для такого оптимального режима (указываются значения падающей мощности \(P_\), частоты входного сигнала и температуры, при которых производилось измерение \(L_\)). В сантиметровом диапазоне однотактные диодные смесители имеют \(L_ \approx \), в миллиметровом диапазоне \(L_ \approx \). У смесительных диодов Шоттки потери преобразования как правило меньше, чем у точечно-контактных диодов.

Нормированный коэффициент шума (\(F_\)). 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: \(К_ = L_ t_д\), где \(L_\) — 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.

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_

\) 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:

Для стандартизации справочных данных был введен, т.н. нормированный коэффициент шума (\(F_\)). Он вычисляется при условии \(K_ = \). В сантиметровом диапазоне волн при использовании диодов с барьером Шоттки \(F_ \approx \) (при \(f_ > \)).