Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 18
Текст из файла (страница 18)
Там же нанесена зависимость от х комплексно-сопряженного значения входного сопротивления диода Я*а(ю/). Слева показаны зависимости потерь преобразования и квадрата модуля коэффициента отражения в сигнальной цепи от х. Видно, что подбор у, позволяет добиться согласования с входным сопротивлением диода при некотором х, соответствую/цем сближению У*п(о//) и 7(о//). При этом достигается минимум потерь преобразования. Весьма слабая зависимость потерь преобразования от х для смесителя на волноводе низкого сечения достигается при у, =О, когда окружность У(ш/) охватывает 86 кривую 2 п(ш/). Примечательно наличие на соответствующей этому случаю кривой г'.и (х) локального минимума при х-0,9 мм.
Ои соответствует обращению в ноль действительной части импеданса внешней цепи для второй гармоники гетеродина, которое происходит в точках х=0,9 и 1,8 мм (рис. 2.3б,б). В этих точках наблюдаются и максимумы выпрямленного тока диода (рис.2.35,а). Однако двух изменяемых параметров и и у„недостаточно для совмещения минимумов потерь преобразования при х=0,9 или 1,8 мм и х=2,0 мм на произвольно выбранной частоте. Уменьшение высоты волновода до 0,2 мм позволяет добиться добавочного сокращения потерь преобразования.
Дальнейшее уменьшение высоты волновода к снижению потерь преобразования не приводит. гармонические смесители на парах диодов с балочными выводами; 4) в СММ диапазоне применяют квазиоптические конструкции смесителей иа бескорпусных диодах, среди которых наиболее распространена и исследована конструкция на основе уголкового отражателя. Типичные конструкции смесителей этих групп схематически представлены на рис.
2.39 — 2.41, а также на рис. 2.28,б. 2.9. ОХЛАЖДЕНИЕ ВХОДНЫХ КАСКАДОВ ПРИЕМНИКОВ СО СМЕСИТЕЛЯМИ НА ДИОДАХ С БАРЬЕРОМ ШОТКИ Глубокое охлаждение входных каскадов супергетеродинных приемников ММ диапазона является одним из наиболее эффективных путей снижения их эквивалентной шумовой температуры. Охлаждению целесообразно подвергать входные цепи приемника, обладающие диссипативными потерями (облучатель, радиочастотный тракт, устройства связи с гетеродином, входные модулируюшие, коммутационные и развязываюшие устройства), смеситель на ДБШ, ФНЧ на выходе смесителя, цепи связи со входом УПЧ и его малошумящие входные каскады иа полевых транзисторах лгли полупроводниковых параметрических усилителях.
На рис.2.42 л) б) рмс 2.42. Эквивалентная шумовая температура, измеряемая оо входа различнык каскадов супергстеродиннык приемников, работаюшнк при комнатной тем- пературе (а) и з криоблоке при 20 К (б) 90 г„.к аю рлс. 2мз. Кривая однополосной эквивалентной шумовой температуры супергетерсшиннык приемников трсхмиллвмет- $ оо диапазона волн с охлаждаемымн БШ-смеснтелями на входе, построенная по опублпконапным данным за 1973 — 1984 гг. ( °, Π— нз [109), Х— го [17), Π— на [3); непрерывной линней сглажены шумовыс температуры приемников, штриховой — вклад УПЧ шумоаую:температуру приемника, вертикальные линии — вклад потерь во входных цепях) 1бб ВН Вбб гн) шб представлены два примера значений эквивалентной шумовой температуры, приведенной ко входу различных каскадов неохлажденного (Т=290 К) 1108] и охлажденного до температуры 20 К [109) приемников.
Рисунок 2.43 характеризует улучшение характеристик . описанных в литературе криогенных приемников ММ диапазона по мере их технического совершенствования. Объектамн оптимизации при разработке охлажденного смесителя могут быть характеристики используемого диода, выбор режима работы„ конструкция смесительной камеры. Критерием оптимальности является получение сочетания потерь преобразования 7 и эквивалентной шумовой температуры смесителя Тею обеспечивающего минимум эквивалентной шумовой температуры приемника. Очевидно, что это оптимальное сочетание зависит от эквивалентной шумовой температуры последующих каскадов: чем выше последняя, тем большую роль играет уменьшение потерь преобразования смесителя.
Зависимость механизмов проводимости ДБШ от температуры в концентрации примесей, рассмотренная в $ 2.2, позволяет оптимизировать ВАХ охлажденного диода выбором концентрации примесей в эпитаксиальном слое примерно на порядок меньшей (А)ж ж2-!Ога см — '), чем для диодов, работающих при комнатной температуре. В таком случае при криогенных температурах достигается более высокая крутизна ВАХ, чем у неохлажденных диодов. Этому соответствуют сушественно большие значения коэффициента г)[(Ч)гТ) при напряжении )г в показателе экспоненты аппроксимирующего выражения (2.4), что приводит к уменьшению мощности гетеродина, необходимой для нормальной работы смесительного ДБШ при криогенных температурах.
Снижение мощности гетеродина, важное само по себе, имеет еще большее значение для уменьшения уровня избыточных шумов охлажденного смесителя. Нх основными источниками являются эффекты разогрева электронов в результате взаимодействия с фононами решетки, междолинного рассеяния в арсениде галлия и захвата носителей ловушками, связанными с дефектами полупровод- 91 гнпп Рис. 2.44. Зависимость от мошностн гетероди. ыа ихлада дробовых, тепловых и избыточны, шумов и олиополосиую зхиииалентную шуме иую температуру охлажденных н неохлаждех ных смесителей (1=!34 ГГн (931! ника в области перехода.
Все эти эф. фекты заметно проявляются толь хоо при высоких напряженностях электри ческого поля и плотностях тока в п лупроводнике. Такие условия возника а ют в пиках напряжения и тока пр ол са 'о оп мое большой мощности гетеродина, подвс 6Š— Олоапаеее димой к диоду. Бпп1! — ыеплпоые При комнатной температуре из СЛ вЂ” шоыпнепые быточные шумы сильно маскир! ются дробовыми и тепловыми [56, 57, 931.
Однако избыточны шумы смесителя, охлажденного до температур 15 ... 78 К, внося большой вклад в его шумовую температуру (рис. 2.44). Спект мощности избыточных шумов во многих случаях обладает частом иой зависимостью (падает с ростом частоты). Поскольку процес сы взаимодействия носителей с решеткой и междолинного рассет ния электронов являются достаточно безынерционными (трз ж 2 10-" с), связанная с ними частотная зависимость избыточны шумов может проявляться лишь на частотах ! и 100 ГГц.
Поэтом составляющие избыточных шумов, частотная зависимость которы наблюдается в более низкочастотной области, связывают с лов! шечным механизмом [93]. Последний в наибольшей степени ох ределяется технологией изготовления диодов. Как отмечалось $2.6, к растрескиванию эпитаксиального слоя по периметру анод могут приводить механические напряжения между защитным ело~ ем 8!Ох и эпитаксиальным слоем.
Тот же результат может вызват] слишком сильное давление контактной иглы из твердого металл (например, вольфрама). На эквивалентной схеме ДБШ источники избыточного шум связывают с сопротивлением 1с„— частью сопротивления 1т„обус ловленной необедиенной областью эпитаксиального слоя, и экви валентно представляют генератором теплового шума, возникающс го в этом сопротивлении при температуре Т„превышающей физи ческую температуру диода Т. Согласно [110] для арсенида гал лия разогрев электронов за счет упругих столкновений с фононз ми решетки и междолинного рассеяния характеризуется вырз жением Т,]Т= !+б(Е~Е,) ', Е(Е„ где баб; Š— напряженность электрического поля в полупрово~ нике; Е,— напряженность насыщения, при которой возникает ох рицательное сопротивление (Е.-З кВ/см).
Для круглого анод Ч2 радиусом а Е=Тр=(лр)(пах), где У вЂ” плотность тока; р — удельное сопротивление эпитаксиального слоя; !и — ток диода, Поэтому Те7Т=!+6(!и/!пе)з, где !пе — ток диода, соответствУющий Е, Эта зависимость, полученная в [110] для объема ОаАз и полевых транзисторов, была экспериментально подтверждена в [57] на смесительных диодах ММ диапазона. Однако в [93] хорошей аппроксимацией экспериментальных данных для избыточных шумов, включающих и ловушечную составляющую, считается квадратичная зависимость от тока. Отметим, что избыточные шумы в Я не зависят от направления тока. Поэтому максимум их интенсивности наблюдается дважды за период гетеродина: в максимуме прямого тока через переход и в максимуме обратного тока, обусловленного главным образом током через емкость барьера (см.
рис. 2.24). Глубина модуляции интенсивности шумов при комнатной температуре относительно невелика, поэтому корреляцией различных комбинационных составляющих избыточного шума можно пренебречь. Однако при охлаждении диода глубина модуляции интенсивности шума повышается и корреляцию следует учитывать [57]. Методика расчета эквивалентной шумовой температуры смесителя при наличии корреляции и частотной зависимости интенсивности шума приводится в [93].
Учет избыточного шума в теоретической модели позволяет расчетно отыскать оптимальное сочетание напряжения смещения )п= и мощности гетеродина Р„обеспечивающее минимум шумовой температуры смесителя, который наблюдается экспериментально. Без учета избыточных шумов расчетные данные для Т,„не выявляют такого минимума (см. рис. 2.37). Среди конструктивных мер, заметно влияющих на характеристики охлажденного смесителя, отметим: необходимость хорошего теплового контакта ДБШ с корпусом смесителя (в противном случае температура перехода может заметно превышать температуру в криоблоке); целесообразность использования в качестве материала корпуса высокопроводящей электротехнической меди без дополнительных защитных гальванопокрытий (для электротехнической меди удельное сопротивление при комнатной температуре составляет 1,9.10 — ' Ом.см и уменьшается в 8,3 и 200 раз соответственно при азотных и гелиевых температурах; для латуни те же величины соответственно равны 7,4 10 ', 1,7; 2,2; золотое гальванопокрытие увеличивает потери [11Ц); целесообразность использования бесконтактных волноводных плунжеров специальной формы и ФНЧ, обеспечивающих замыкание рабочих частот и не вносящих активных сопротивлений на вторых гармониках [11Ц.
В существующих конструкциях охлаждаемые узлы приемников размещаются в вакуумированном объеме и имеют хороший тепловой контакт с теплоотводящим фланцем криогенной установки замкнутого цикла (обычно имеющим температуру 15...20 К) или внутренним сосудом заливного азотного криостата (78 К). Необходимая хладопроизводительность криогенной установки имеет порядок 1 Вт при условии уменьшения теплопритоков к приемни- йз ку конструктивными мерами (применением тепловых экранов, использованием материалов с малой теплопроводностью для электрических вводов и выводов и устройств перестройки смесителя).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
