Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Таблица 28. Структура матрицы Т'~' проаоднмостея мнотополюсника «О» иа рис. 2.80 Можно показать (105), что для линейной диссипативной цепи, находящейся при температуре Т, на всех частотах шумовые токи короткого замыкания любых т- и и-й пар полюсов имеют ковариацию (7 т!»и >=4а7Тьпеу (2.70) где У вЂ” элемент матрицы проводимостей цепи.
К рассматриваемому многополюснику «0» выражение (2.70) может быть применено после отключения от его верхних зажимов проводимостей внешних нагрузок„имеющих нулевую температуру. Таким образом, корреляционная матрица тепловых шумов ((И+))г= 4йТП КеУ„~л, (2.71) где У,о„— матрица проводимостей многополюсника «0» с отключенными от верхних зажимов проводимостями нагрузок.
Совокупность выражений (2.67) — (2.71) определяет способ расчета выходной мощности внутренних шумов М-диодного смесителя. Умножая эту мощность на потери преобразования с одной из комбинационных частот на промежуточную и деля результат на ЙП„можно определить эквивалентную шумовую температуру смесителя по соответствующему входу. В работах Керра [67, 100] показано, что чисто резистивный идеальный (с(«=0) экспоненциальный смеситель с внешней цепью, не имеющей потерь, по своим шумовым свойствам эквивалентен некоторой диссипативной 81 82 цепи, имеющей абсолютную температуру ЧТ(2, с теми же коэффициентами передачи от зажимов к зажимам, что и между зажимами смесителя для разных комбинационных частот.
Это свойство справедливо при любом числе диодов. Характерной особенностью рассмотренного расчета смесителя с несколькими диодами является его применимость к смесителям разных типов, отличающихся видом внешней цепи «0», определяющей способы фазирования сигналов гетеродина и комбинационных частот на диодах. Формально при расчете это выражается в особенностях матрицы проводимостей многополюсника «0». Ряд примеров применения изложенной общей методики к анализу свойств двухдиодных субгармонических и балансных смесителей приводится во второй части работы 11001, а также в работе (1ОЦ.
Хотя во всех рассмотренных примерах используются идеализированные эквивалентные схемы внешней цепи смесителей, не имеющие связи с геометрией смесительных камер, расчет выявляет интересные зависимости свойств смесителей от параметров эквивалентной схемы. Для субгармонических смесителей с 1„ж0,51ь, характерен острый пнк потерь преобразования при последовательном резонансе индуктивности Б, и емкости с» диода на второй гармонике гетеродина. В результате анализа формы напряжения и тока диодов установлено, что при резонансе каждый диод является проводящим дважды за период гетеродина. В таком режиме токи промежуточной частоты замыкаются через два диода, минуя нагрузку зажимов промежуточной частоты. Ряд меньших пиков потерь наблюдается н при резонансе 7..с»-цепи на более высоких гармониках гетеродина.
Критичность субгармонического смесителя к величине последовательной индуктивности в цепи диодов, повидимому, является причиной большого разброса экспериментальных характеристик для этой схемы. Балансный смеситель мало- критичен к 1., Здесь гетеродин имеет частоту, близкую к сигнальной, и вблизи резонанса 7.,с»-цепи на частоте гетеродина расположен минимум потерь преобразования и шумов смесителя. Некоторое увеличение потерь имеет место при (.„ соответствующих резонансу на 21,.
Модуляция емкости диода гетеродином в смесителях обоих типов приводит к параметрической генерации потерь, подобной наблюдаемой и в однодиодных смесителях: при модуляции емкости потери в среднем на 2 дБ меньше, чем при с=сопя( В субгармонических смесителях при больших значениях 1., наблюдается регенеративное возбуждение. Регенеративные эффекты могут сопровождаться как увеличением, так и уменьшением шумов смесителя в зависимости от сочетания параметров внешней цепи. В работе [1021 проведен расчет субгармонического смесителя с неидентичными диодами. Показано, что даже небольшой разбаланс паразитных параметров диодов сильно ухудшает характеристики смесителя. Отмечается, что упрощенный расчет, при котором используется билиненная аппроксимация ВАХ ДБШ, сохраняет все качественные особенности поведения смесителя, сильно сокращая затраты машинного времени.
вВ. пРимеРы РАсчетных и эКспеРиментАльных ХАРАКТЕРИСТИК. КОНСТРУКЦИИ СМЕСИТЕЛЕИ Рассмотренные выше методы расчета волноводных смесителей на ДБШ реализованы в ряде программ для ЭВМ 156, 59, 60, 87— 89 и др.1. Ниже приведены примеры расчета по программе (89), в которой импедансы внешней цепи находятся по аналитическим выражениям $2.3, форма напряжения иа барьере — решением системы нелинейных дифференциальных уравнений $2.4, потери преобразования, эквивалентная шумовая температура и другие характеристики — обычным матричным методом (см.
$2.5, 2.6). Для выяснения адекватности используемой расчетной методики прежде всего необходима ее проверка. Выше уже проводилось сравнение рассчитанных и измеренных на масштабной физической модели импедансов внешней цепи (см. рис. 2.17) и форм напряжения на барьере, определенных разными методами (см, рис. 2.24). Результирующие характеристики смесителя для проверки расчета могут непосредственно измеряться.
Отметим здесь, что в связи с недостаточной точностью измерений, значительной неопределенностью эквивалентных параметров диода, его режимов н фактических размеров смесительной камеры о соответствии расчетных и экспериментальных данных нельзя судить по отдельным замерам. Должны сравниваться расчетные и экспериментальные зависимости характеристик смесителя от некоторого легко изменяемого и хорошо контролируемого параметра. В (56, 60 и др.) в качестве такового выбрана длина х волноводного короткозамкнутого шлейфа. Этот же параметр является аргументом большинства приводимых ниже зависимостей. Измерения должны выполняться в нескольких десятках точек, чтобы выявить мелкие детали регистрируемых зависимостей (часто именно по ним удобно сравнивать расчетные н экспериментальные кривые).
Эксперимент должен проводиться за достаточно малое время, чтобы условии его проведения сохранялись однородными. Этим требованиям в наибольшей степени отвечают специальные автоматизированные установки [1061. Однако хорошая повторяемость и малая трудоемкость измерений могут быть обеспечены и на значительно более простых установках (рис. 2.31), где автоматизирована только регистрация результатов (запись выходных сигналов измерительного приемника на ленту самопишущего потенциометра), В качестве эталонов излучения при проведении измерений целесообразно использовать чернотельные излучатели при комнатной и азотной температурах.
Представленные ниже зависимости, если это специально не оговаривается, относятся к следующему набору исходных данных. Характеристики диода: т1=1.2; В=0.83 1О '4 А; )(,=8,4 (измерение на постоянном токе)+3 (ошибка измерений на постоянном токе) +3 (поправка на поверхностный эффект) =14,4 Ом; С,= =9 1Π—" Ф; 7=0,5; фь — — 0.9 В. Эти характеристики типичны для диодов, употреблявшихся в эксперименте. * Расчеты выполнены Н. А. Жарко»ой. с., дБ а 0,0 г,а х.мм да х,мм с,а )г(' Тьнп "1 диамета тэмаэк с'и сс ГГ тстеедиа- чета 6 5 0 аа Тем " еатвеаадеаа И 1 ааеауада Рис.
2.3К С рзктсрисгик смесителя х труктууивя схема стенда для зкспервмсвтзльиого опрвделеии х( ороткоззмыклтель я согллссвзвиаи илпруэкв подклюя зчвюгся ко входу ! для калибровки шиивлз генератора шума, отрвжлемого выходом смсоигеля) меиеаае Е Промежуточная частота Тпч — — 1,5 ГГц. Частота гетеродина ) = =87 ГГ помин ц„альная мощность Р„=О,З мВт (все характеристиа е= ки приводятся при фиксированной номинальной мощности гетеро- дина, в отличие от зависимостей работ 156, б0] которые о леныпи и р ф ксированном токе диода).
Постоянное смещение диода У==,7 В. 500.С ==0,7 . Сопротивление постоянному току в цепи диода 24 Ом. Сечения волновода: нормальное 1,2Х2,4 мм, низко О,ЗХ Х, мм. Диаметр контактной иглы диода 55=30 мкм. Входное сое противление УПЧ Уз=50 Ом или согласовано с выходом смесителя. На приводимых круговых диаграммах импедансы нормированы к характеристическому сопротивлению волновода на частоте гетеродина, а выходной импеданс Ум, — к сопротивлению 200 Ом. Расчетные зависимости ряда характеристик смесителя от длины х короткозамкнутого шлейфа, меняющейся в пределах полу- волны гетеродина, и соответствующие экспериментальные точки изображены на рис. 2.32 Видно, что характер расчетных и экспериментальных зависимостей близок.
Однако некоторые из них не совпадают по среднему уровню и наклону, что объясняется различием расчетных и фактических экспериментальных параметров диодов, режима и размеров смесительных камер. Коррекция длины контактной иглы на величину порядка 0,1 мм позволяет выравнять наклоны зависимостей Е(х). Несовпадение среднего уровня может быть скомпенсировано небольшим изменением )г, или мощности гетеродина.
Расчетные и экспериментальные зависимости Ех(х) при изменении х в пределах нескольких длин волн (рис. 2.33) также хорошо согласуются. Расчетные зависимости Ес(х) и 7. с(х) — потерь. преобразования по верхней и нижней боковым полосам — позволяют легко объяснить сложный характер кривой е.х (х) и выявить точки„соответствующие подавлению одной из боковых полос длинным шлейфом. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных позволяет пользоваться расчетной методикой для ис- М 00 0,0 0.0 са дО л «м д0 х,мм Рис.
2.32. Рвсчстиыс (ливии) и зкспсркмвк гальяни (точки) хлрзкторвссвкя смесителя в зависимости от длины х волиоводвого шлейфа (измсрдииыс значения 5. в Т, соответствуют Ьх и Т; оим должвы сопостзвляться с расчетными двухполосиыми (.дд и Тдд) Са 0,0 Са да х,мм (О 0,0 следования влияния отдельных параметров смесителя на его результирующие характеристики.
Ниже приведены примеры таких расчетов, Роль изменений длины контактной иглы н образуемого ею коаксиального шлейфа длиной у,ш (см. рис. 2.8,б) для волновода нормального и низкого сечений поясняет рис. 2.34. На круговых диаграммах представлены зависимости импеданса 2(юс) внешней цепи диода на частоте сигнала ю, от длины х волноводного шлей- са 5 а с,а да 5,0 С5 са 5 а с,а 7,0 5,0 5,0 5,0 5.0 й Рвс. 2.33. Расчетные (а) и зкспвримсвтзльиые (б) злвлсимоепи потерь врсобрззовзввз от длины волиовохиого шлейфа л, мсвяющсйся в врвдслзх пяти волуволи 63 г,пмм +у пмм 0,5 //.
дп /5 /,мп я г а пд ця пп а) /о 5 О 70 00 Яа /пп 00 е,/ГП /т 7/и, 'ПН Р 235, Частотные зависимости потерь преобразовании агля смеоителя на ж/лисеоде низкого сечения при фиксированных размерах х ааа 700 0,5 ма 0 0,5 /,О 05 г,а х,мм /,нх а 4!,я цп 0,7 ая у,п„ /по гпп /м пм пега(ах и) Рвс 235 Зависим ти р евно го тока динка (а) и комплексного сопротивления внешней цепи (б) от х Рис 2 37 Изотермы зквиаалентной шумовой температуры смесителя на характеристиках выпрямлении смеоигельного диода (еолноеод низкого сечения, х-2,0 мм) 37 0 0,5 /,О 75 Яп х.мм а) х=о/мм г.пмм /.Е Рис.
234 Влияние длины у „коакоиальиого шлейфа, образуемого контакппой иглой диода, на зависимости хврактеристих смесителя от длины х нолиоводного шлейфа для смесительиых камер на волнозодах нормального (а) и низкого (б) сечений; минимумы потерь преобразования н козффнциенгов отражения от входа смесителя соответствуют комплексноеопряжениому соглаоованжо нмпедавссв внешней цени и диода, представленных на круговых диаграммах фа при разных значениях у„.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
