Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 23
Текст из файла (страница 23)
Параметр Г в (3.50) представляет собой коэффициент отражения сигнала от ТП. В случае использования в детекторном приемнике ДСШ, у которых сопротивление Й„зависящее, вообще говоря, от частоты, примерно такое, как и в обычныт ДБШ (около 10 Ом), при определении НЕП следует учитывать также » у сВ,ЭДС у Ве =4лТВ.(0)По. Эта ЭДС лает вклад в средний квадрат шумового тока на послелетекториых частотах, равный (см. рис.
3.10) 1.,=Е. 1В.!0)+В.(У.)+1/У(0) ! (под Уа здесь понимается постоянное напряжение непосредственно иа нелинейном ТП между точками А и В). Кроме того, в ДСШ возникают дополнительные потери мощности сигнала в В, на частоте ы, учитываемые коэффициентом и = 1+ В !ю) (б + (В + ыС)а/б 1, где б 2а,/У; В = — 2Ь,/У вЂ” действительная и мнимая части комплексной проводимости ТП У б +1В, соответствующей малому туннельному току у иа частоте сигнала ы (емкостиая проводимость ТП 1юС в У ие входит).
Таким образом, определяемая дли ДСШ суммой дробового и теплового шумов НЕПх= !1хщ а+1хщ г)'1/(ре(ре)и(1 — (Г!')!. !3.31) Диапазон частот, для которого выполняется неравенство (3.48) и ампер-ваттная чувствительность ТП может приближаться к квантовому пределу г//йоу, определяется качеством ВАХ переходов и величиной энергетической щели используемых сверх- проводников. Ограничение по частоте снизу возникает вследствие того, что в реальных ТП туннельный ток возрастает не скачком, а в некотором интервале напряжений ЬУ» вокруг среднего напряжения щели У».
Условие (3.48) перестает выполняться', и детектор переходит в классический режим работы при й/(дЬУ». Как правило, в ТП малой площади ЬУ» 0,05 мВ, что соответствует ни!иней границе частот /~и~=у/ЬУ»/й >12 ГГц. (3.52) Ограничение сверху определяется значениями напряжения щели ТП. Из симметрии ВАХ квазичастичных ТП относительно начала координат следует, что (3.48) нарушается при й/)25/У». Следовательно, Рнс. 3.11. Волноводиый блок с переходом СИС на частоту 36 ГГц: 1 — емкастный плырь; у — дроссельныс ныенкн; 5 в еолнонодкый плунжер; б— поглотитель; 5- снерхпронодкщне электроды ТП не крснннееой подложке; б — нзслнрующнй слой 5Ю; 1 — переход СИС н окне н нзолнрующеы слое !"»=3 мВ, /щкхдет-1500 ГГц. При увеличении мощности внешнего излучения, частота которого /) 2А/й, фотоны начинают разрушать куперовские пары электронов в сверхпроводящих пленках электродов ТП, сглаживая нелинейность ВАХ.
Это обстоятельство ограничивает сверху рабочие частоты смесителей величиной /пщ „,„= 2 ппп (Ль,н) /й. (3.54) Таким образом, достоинства детекторов и рассматриваемых ниже смесителей на сверхпроводящих квазичастичных ТП наиболее отчетливо проявляются именно в ММ и длинноволновой части СММ диапазонах. Лучший экспериментальный результат для детекторов на квазичастичных ТП был получен с переходом СИС из сплава РЬ вЂ” 1П вЂ” Ац на частоте 36 ГГц. Детекторный приемник с ТП, находившимся при температуре 1,4 К, имел НЕП=-2,8 10 — 'б Вт/Гцыз 11261. Устройство детекторной камеры, использованной в этой работе, показано на рнс.
3.11. На ДСШ на частоте 31 ГГц при Т=! К удалось получить НЕП=4,8 10Рщ Вт/Гцы' !121!. При использовании в детекторе цепочки из А! последовательно соединенных одинаковых ТП, имеюшей такое же полное нормальное сопротивление Йгс, как и одиночный переход, который она заменяет, характеристики детектора будут ухудшаться.
Ампер-ваттная и вольт-ваттиая чувствительности детекторного приемника будут уменьшаться как Л' ', а НЕП будет расти как /у'. Подробнее вопрос об использовании цепочек ТП рассмотрен в б 3.5. 33. СА4ЕСИТЕЛИ НА КВАЗИЧАСТИЧНЫХ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДАХ Анализ смесителя на квазичастичном ТП (будем называть его квазичастнчным смесителем) внешне аналогичен тому, который проводился ранее для смесителя на полупроводниковом ДБШ (см. гл. 2). При известном комплексном сопротивлении внешнеи цепи он распадается на два этапа. Сначала решается нелинейная задача: находятся выражения для переменного напряжения У (1) на ТП и протекающего через него тока /(() под действи- 11Т ем мошности гетеродина и постоянного смещения )тв.
На втором этапе рассматриваетсн линейная задача о передаточных характеристиках смесителя для малого сигнала п(1) «У (1) и находятся комплексные сопротивления смесителя для всех интересуюших нас частот. Все сушественные особенности преобразования чаетоты в квазичастичном смесителе заключены в выражениях для элементов матрицы проводимостей у, которые рассчитываются с помощью квантово-механической теории туннелирования. Точно так же при расчете шумовых характеристик смесителя могут быть использованы многие соотношения теории смесителя на ДБШ, в которых необходимо заменить классические выражения для элементов корреляционных матриц токов на их квантовые эквиваленты.
КОА!ПЛЕКСНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ВНЕШНЕЙ ЦЕПИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ПЕРЕХОДА В С)т(ЕСИТЕЛЕ Для расчета квазичастичного смесителя необходимо знать комплексное сопротивление внешней цепи л,(в) на гармониках частоты гетеродина тв„и комбинационных частотах в =тв,+в„где в, — промежуточная частота, т=О, +-1, ь2, ... Значения внешнего сопротивления иа этих частотах, как и в случае смесителя на ДБШ, определяют расчетным путем или из экспериментов с увеличенными моделями. Отметим, что постоянная емкость С ТП сильно шунтирует высшие гармоники напряжения гетеродина и комбинационные частоты, если в,)тмС= 1.
Во многих случаях это позволяет ограничиться при расчетах смесителя значениями (т~ (2 (пятичастотная модель) или даже 'гт) '1 (трехчастотная модель) без ушерба для точности вычислений. Поэтому определение комплексного сопротивления внешней цепи для (т~~3 в большинстве случаев нецелесообразно. В 11271 описаны измерения Л(в) иа первой и второй гармониках частоты гетеродина в увеличенных моделях смесителей 8- н 3-мм диапазонов, использующих наиболее распространенную в настоящее время конструкцию, в которой диэлектрическая подложка с ТП устанавливается в прямоугольном волноводе перпендикулярно его широкой стенке.
На рис. 3.1! показан разрез в Е-плоскости волновода смесителя 8-мм диапазона 1128], использовавшегося также в качестве детектора в 1126!. Модель вставки смесителя, содержащей переход СИС и подводящие полосковые линии, изображена на рис. 3.12,а. Комплексное сопротивление внешней цепи измерялось с помощью миниатюрного коаксиального кабеля подобно тому, как это делалось для модели рис. 2.7. Для настройки использовались подвижный поршень в волноводе и емкостной штырь.
В модели смесителя 3-мм диапазона (ее вставка показана на рис 3.12,б) для настройки использовался поршень в волноводе высотой Ь=а/8. 118 г в) г Рис. 8.12. Увеличенная модель вставки для перехода СИС с коакональным кабелем для измерения импедансов внешней цепи смесителей диапазонов 8 мм (и) н 3 мм (б) я формы электродов перехоков СИС в волноволе (в): т — СВЧ разъев: р — Лизлеитрвеесаа» полложиа; а — иеталлвзалия; а — яоаисиальиыа ва.
бель; а — цеитральвая жила вабел»; б — полажение жировал степов волвовова 4 б б б) При измерениях варьировались форма берегов ТП в волноводе (рис. 3.12,в), ширина зазора, в котором размешался ТП, длина первых секций ФНЧ, а также ориентация подложки, плоскость которой устанавливалась либо параллельно оси волновода, либо перпендикулярно ей с ТП, обрашенным или ко входу смесителя, или к поршню. Было обнаружено, что ориентация подложки и ее ширина, которая в модели смесителя 3-мм диапазона достигала 0,4а, а также положение ТП по высоте волновода пониженного сечения мало влияют на внешнее комплексное сопротивление на частоте гетеродина, Напротив, изменения ширины зазора между электродами, расстояния от ТП до широкой стенки волновода полного сечения и входного сопротивления ФНЧ сильно меняют наблюдаемую картину комплексных сопротивлений на первой гармонике.
Сопротивление на второй гармонике сильно зависело от частоты гетеродина. Подложка оказалась эквивалентной дополнительной емкости С'н, подключаемой параллельно комплексным сопротивлениям волновода и поршня. Все эти результаты находятся в хорошем соответствии с данными расчетов комплексного сопротивления внешней цепи по методике $ 2.3. Эта методика может быть непосредственно применена для электродов ТП прямоугольной формы (рис.
3.12,в). В случае сужающихся к ТП электродов следует вводить некоторую ЭффЕКтиВНУЮ ШИРИНУ ПОЛОСКИ Газе <бр, ОДНаКО Эта ПОПРаВКа НЕ должна оказывать сильного влияния на л.(в) в силу логарифмической зависимости его составляющих от в (см. табл. 2.4). Таким образом, в основу определения комплексного сопротивления внешней цепи волноводных квазичастнчных смесителей может быть положена расчетная методика 5 2.3. 119 НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ СМЕСИТЕЛЯ Точный расчет формы напряжения и тока в квазнчастичном смесителе под действием мощности гетеродина оказывается технически значительно более сложной задачей, чем для классического резистивно-емкостного смесителя на ДБШ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
