диодный преобразователь частоты

ДИОДНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ЧАСТОТЫ

Общие сведения о преобразователях частоты и смесительных диодах.

В супергетеродинных приемниках (рис. 1) сигнал от антенны поступает на малошумящий усилитель высокой частоты (УВЧ). Затем с помощью преобразователя частоты (ПЧ) спектр сигнала переносится на более низкую промежуточную частоту _пч=_c-_г. Основное усиление в приемнике осуществляется с

Рис. 1. Упрощенная структурная схема супергетеродинного приемника.

помощью усилителя промежуточной частоты (УПЧ). Чувствительность приемников такого типа достигает 10^-17...10^-18 Вт, в то время как чувствительность приемников прямого усиления не превышает 10^-12...10^-13 Вт (данные приведены для приемников без УВЧ). Для супергетеродинных приемников диапазона СВЧ, характерны промежуточные частоты 20...300 МГц, однако в отдельных современных приемниках используется двух или трехкратное преобразование частоты, и первая промежуточная частота может достигать 1...2 ГГц и выше (в приемниках диапазона миллиметровых волн).

Преобразователь частоты состоит из смесителя (См) и гетеродина (Г) в качестве которого наиболее часто используются маломощные генераторы на диодах Ганна. Мощность колебаний гетеродина, поступающих на смеситель, мала (0,2...10 мВт), но она во много раз больше мощности сигнала. Преобразование частотысигнала происходит за счет нелинейности характеристик смесительного диода.

В смесителях можно использовать обращенные туннельные диоды (ОД), варикапы, точечно-контактные диоды (ТКД) и диоды с барьером Шотки (ДШ). В настоящее время наибольшее применение в смесителях сантиметрового и миллиметрового диапазона длин волн получили ТКД и ДШ. В дециметровом диапазоне иногда применяются обращенные туннельные диоды, у которых используется обратная ветвь вольт-амперной характеристики (ВАХ). На рис. 2 приведены ВАХ диодов трех типов. ДШ обладает более крутой, чем ТКД, вольт-амперной характеристикой и большим напряжением пробоя, а так же более высокой механической прочностью. Однако ДШ требует большей мощности гетеродина (2..10 мВт для диодов из арсенида галлия и 0,5...1 мВт для кремниевых диодов). Большая крутизна ВАХ обращенных туннельных диодов в близи начала координат позволяет работать при мощности гетеродина 0,1...0,2 мВт. Параметры современных смесительных диодов СВЧ приведены в справочной литературе.

Упрощенная эквивалентная схема смесительного диода приведена на рис. 3.

Рис. 2. Вольт-амперные характеристики смесительных диодов	Рис. 3. Эквивалентная схема смесительного диода

Рис. 4. Конструкции смесительных диодов  а) с балочными выводами (1 - активный n-слой; 2- выпрямляющий контакт; 3-слой полиамида; 4-золотые балочные выводы; 5-буферный слой; 6-подложка; 7- омический контакт); б) в интегральном исполнении (1- омический контакт; 2-барьер Шотки; 3-подложка; 4-микрополосковые линии)

Единственно полезным для работы смесителя элементом этой схемы служит нелинейная проводимость запирающего (барьерного) слоя g(u) (поэтому смесительные диоды часто называют варисторами). Остальные элементы: сопротивление потерь диода r_п и нелинейная емкость С(u) - являются паразитными и приводят к потери мощности преобразованного сигнала (нелинейность емкости вызывает преобразование сигнала на высшие комбинационные частоты)*.

Для интегральных схем СВЧ изготовляют безкорпусные смесительные диоды, два из которых изображены на рисунке 4. Применяются также кристаллы смесительных диодов с одним или несколькими выпрямляющими окнами.

* В последнее время получил распространение режим работы смесительных диодов, при котором используется не только нелинейная проводимость, но и нелинейная емкость. Благодаря этому удается снизить потери преобразования и коэффициент шума преобразователя. Однако для реализации такого режима требуется большая мощность гетеродина.

Электрические характеристики смесителя

В отличие от транзисторных смесителей, для которых наиболее существеннен лишь эффект пряого преобразования частоты, в диодных смесителях наблюдается так же эффект обратного преобразования. Действительно, напряжение промежуточной частоты _пч=_c-_г, появившиеся на выходе смесителя в результате взаимодействия напряжений сигнала и гетеродина, снова взаимодействует с напряжением гетеродина, что приводит к образованию на входе смесителя напряжения с частотой сигнала _с=_г+_пч. Таким образом, эффект обратного преобразования обусловлен наличием сильной обратной связи в диодном смесителе, так как он канализирует энергию в обоих направлениях, т.е. представляет собой взаимное устройство.

Кроме того, в диодных смесителях существует эффект вторичного обратного преобразования частоты. 

Рис. 5. Спектральный состав колебаний  в преобразователе частоты.

При действии на выходе смесителя напряжения промежуточной частоты возможно появление на входе смесителя так называемой зеркальной частоты _з=_г-_пч (названной так из-за "зеркального" расположения по отношению к частоте сигнала относительно частоты гетеродина) (рис. 5). Возникновение колебаний зеркальной частоты возможно также в результате взаимодействия между напряжением сигнала и второй гармоникой гетеродина, так как _з=_г-_с.

Обычно смеситель согласовасо входом УПЧ, поэтому вся мощность на частоте wпч передается в УПЧ. Колебание зеркальной частоты, образовавшееся в процессе преобразования частоты сигнала, может распространяться во входные цепи приемника. Поэтому если на входе смесителя поместить соответствующие фильтры, то колебания зеркальной частоты будет отражаться обратно в смеситель для преобразования в колебания промежуточной частоты _пч=_г-_з. Если образованный таким образом ток промежуточной частоты находится в фазе с током основной промежуточной частоты _пч=_с-_г. , то получается дополнительная выходная мощность, т.е. увеличивается коэффициент передачи преобразователя. При сложении токов в противофазе могут, напротив, возникнуть дополнительные потери. Таким образом, взаимодействие между колебаниями сигнальной и зеркальной частоты оказывает существенное влияние на параметры диодного преобразователя частоты.

Балансные и двойные балансные смесители.

Для уменьшения влияния шумов гетеродина применяются балансные смесители (рис. 6, а). Смеситель содержит два диода, которые включены, так, что их токи i_Д1 и i_Д2протекают в первичной обмотке выходного трансформатора WT₂ во встречных направлениях. При этом синфазные составляющие магнитного потока взаимно компенсируются, а противофазные - складываются. Убедимся сначала в способности этой схемы выполнять функции преобразователя частоты. Напряжение гетеродина подается на диоды синфазно, а напряжение сигнала- противофазно. Следовательно, токи преобразованного колебания промежуточной частоты в обоих диодах так же противофазны и поэтому создаваемые ими магнитные потоки складываются и наводят во вторичной обмотке трансформатора WT₂ напряжение промежуточной частоты.

Перейдем к количественному анализу работы балансного смесителя, аппроксимируя ВАХ диодов ряда Тейлора

(10.18)

К первому смесительному диоду прикладывается сумма напряжений u_Д1(t)= u_Г(t)+ u_С(t) , а ко второму - разность u_Д2(t)= u_Г(t)- u_С(t) Здесь u_С(t)= U_CCos_Ct - напряжение гетеродина. Подставляя выражения для u_Д1(t) и u_Д2(t) в (10.18), найдем токи диодов: i_Д1(t)= i_Д (u_Д1), i_Д2(t)= i_Д (u_Д2).

Результирующий ток в первичной обмотке трансформатора WT₂

(10.19)

Первое слагаемое (10.19) характеризует прямое прохождение сигнала через смеситель, что опасно при w_с=w_пч, а второе слагаемое - полезное преобразование частоты. В связи с тем что составляющие токов с частотой гетеродина w_Г взаимно компенсируются, шумы гетеродина не попадают на выход смесителя и при идеальной симметрии схемы относительная шумовая температура гетеродина t_Г=0

Проводя аналогичные выкладки для токов в трансформаторе WT₁, легко видеть, что балансный смеситель позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антену приемника. Это свойство в последнее время приобретает все большее значение, так как в связи с проблемой электромагнитной совместимости радиотехнических средств введены более жесткие ограничения на допустимый уровень излучения колебаний гетеродина.

Балансный смесител по схеме на (рис. 6, а) практически не применяется в диапазоне СВЧ ввиду сложности реализации симметричного выходного трансформатора. Более распространена другая схема (рис. 6, б), принципиально не отличающаяся от первой. Разница состоит в том, что в ней отсутствует выходной трансформатор, напряжение гетеродина подается на диоды в противофазе, а напряжение сигналов в фазе. Однако из-за встречного включения диодов в этой схеме сохраняются те же фазовые соотношения и те же свойства, что и в балансном смесителе (рис. 6, а).

Основным узлом балансного смесителя диапазона СВЧ является гибридное соединение осуществляющее равное деление мощности входного сигнала и колебания гетеродина между диодами с сзаданными фазовыми соотношениями, а также обеспечивающего максимальную развязку между входами сигнала и гетеродина. В качестве таких соединений обычно используют двух и трехшлейфные направленные ответвители (НО), гибридные кольца и направленные ответвители на связанных полосковых линиях.

Рис. 6.Принципиальные электрические схемы балансных  смесителей с синфазной (а) и противофазной  (б) подачей напряжения гетеродина.

Двухшлейфные направленные ответвители обеспечивают развязку сигнала и гетеродина не хуже 200 дБ при K_cmU < 1,5 в полосе частот около 10%. Полоса пропускания трехшлейфных ответвителей расширяется до 20% и более. Потери преобразования этих схем L_Д >6:8 дБ. Балансные смесители обычно работают при нулевом смещении на диодах.

При использовании промежуточной частоты, находящейся в диапазоне СВЧ, применяют смесители, имеющие разомкнутые четвертьволновые шлейфы, закорачивающие сигналы промежуточной частоты. Такие смесители имеют следующие параметры: f_C = 20+/-0,5 ГГц, f_Г = 18,3 ГГц, f_пч=1,2..2,2 ГГц, полоса пропускания по уровню 1 дБ составляет +/-500 МГц, коэффициент шума К_ш = 4,8..5,8 ГГц.