Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 25
Текст из файла (страница 25)
(3.64) ~~о ""о ,Для квазичастичных ТП (3.64) может быть реализовано при выполнении условия (3.48); для перехода СИС это иллюстрируется рис.' 3.14. Было установлено [137], что квантовые реактивные члены в матрице (3.63) не являются основной причиной появления усиления сигнала в смесителе; этот эффект вовсе ие аналогичен усилению на нелинейной реактивности в параметрическом усилителе. Усиление может быть реализовано и в случае, когда зсе реактивные компоненты В вместе с емкостной проводимостью сасб на частоте гетеродина скомпенсированы внешними настроечными цепями, хотя этот случай и не оптимален.
Действительная причина усиления сигнала заключается в немгновенной связи тока через ТП с приложенным к нему напряжением (см. (3.!6), (3.17)), что приводит к специфическим выражениям (3.61), (3.62) для действительных частей бш„элементов матрицы проводимостей. Квазпчастнчный смеснтель при выполнении условия (3.48) становится невзаимным УстРойством, в частности бюФбоь что сУп1ественпо отличает его от классического резистивного смесителя [112, 137]. Наблюдаемое в некоторых случаях отрицательное дифференциальное сопротивление Ял на динамической ВАХ /и„ (У) (рис. пмо 3.15) позволяет в принципе получать неограниченное усиление сигнала при его преобразовании на .промежуточную частоту при условии Й(ооо) = [/!н[, соответствующем границе возбуждения смесителя.
Однако работа на падающем участке ВАХ может быть сопряжена с паразитной генерацией в цепях питания. Максимальное наблюдавшееся до настоящего времени усиление сигнала /ч — '=4,3 дБ на частоте 36 ГГц [128] было получено при больших, но положительных значениях дифференциального сопротивления /(Ф В общем случае максимальные .положительные значения /!н, наиболее подходящие для устойчивой работы смесителя с усилением, реализуются в середине пологих участков фотонных ступенек тока па динамической ВАХ при оптимальных значениях постоянного напряжения Уоптш=1'а+ (т+1/2)Всат/г/; т=О, ~1, -~-2 ...
(3.65) Зависимость мощности сигнала на выходе смесителя от напряжения Уо при условии (3.48) имеет вид пиков эффективного преобразования в середине квазичастичных ступенек тока ниже и выше Ул, разделенных интерваламн напряжения Вю„/с/ (или /у'Вса,/с/ для цепочки из /У последовательно соединенных ТП) (рис. 3.16). Для квазнчастичных ТП, у которых произведение са,йпС= 4, расчеты в трехчастотном приближении дают значения потерь преобразования /., сигнала в смесителе на всех пиках вблизи напряжений Уои,ш, очень хорошо совпадающие с экспериментальными [112, 133].
Минимальные значения Е~ обычно достигаются на первом пике преобразования ниже 1'а (т= — 1) при напряжении У„х,= Ул — Вю,/2о/. Результаты расчетов по трехчастотной модели при са,/смб)4 могут быть прямо использованы для оптимизации параметров 2(ю) и Ус в разрабатываемом смесителе. На рис. 3.17 показаны результаты расчетов коэффициента усиления Во ' смесителя диапазона 90 ... 120 ГГц на переходе СИС (РЬ вЂ” !ив — Ап) — Π— (РЬ вЂ” В!), имеющем )7м=48 Ом, при различных соотношениях проводимостей внешней цепи на частоте сигнала со~ и зеркальной частоте са, [135].
Реактивные составляющие проводимости у(со) на этих частотах полагались равными нулю, нагрузка на промежуточной частоте 1,4 ГГц /7(соо) =50 Ом, а 1'о=- У„, ь Из рис. 3.17,в видно, что в смесителе с 6(са,) =ос для данного ТП невозможно получить усиление сигнала Е ) 1. Наиболее благоприятным является вариант 6(ы о) =0 (рис. 3.17,а), однако работа смесителя с усилением возможна и в случае 6(со~) = =6(со-~) (рнс. 3.17,б), типичном для смесителей с низкой промежуточной частотой.
Отметим, что для практических целей, видимо, будет достаточным получение относительно небольшого усиленна сигнала !., '=-3 ... 6 дБ. При значениях шумовой температуры 123 УПЧ Тупчы10 К это позволит сделать его вклад Е,Тупи в шумовую температуру приемника меньшим квантового предела л оэ~/)г во всем М)М диапазоне.
Кроме того, как показано ниже. обратно пропорционально усилению смесителя уменьшается его динамический диапазон. В [119! было проведено сравнение экспериментальных и рассчитанных в трехчастотном приближении значений потерь преобразования сигнала в смесителе на переходах СИС (А) — 1п) — О— — А! и СИИ (А! — 1п) — Π— Ад на частоте )~=75 ГГц.
Использование алюминия, для которого )',х, =90 ГГц, позволило промоде- аа 1 »с % ° % % с х о ы о 8„„ Й.с сс асс й % % % сьс о СЧ сэ,о л +! са +! са ! ЫГ~ с а о ы о и и В и и с а с о о йс о сасм й "с и й о о ОЪ 1'% Ф са о — ° сс о +)л +1:: +! +! Р+,' ! = ЧЯ ! й' ! -- ! = ! %%%» ()(- й" п) с и з и с Ф СС с с % л СД % % % ° Я сч ° ь са Ра Ь-=+(Жс РБ "'~~ )г ))'о - ос ос О'о %с% с лйм "и оа" а с,с 'си Яйа р с щ ((Зй(((((! ! 1, мкЛ С а с »% "» с аы сад .
с»6» сс а ки о Ф ги о и 16 Вс ~о СЧ СЧ ! ~ (( (( сосчоч ! 1(~ )7 !! -" -" ! !г о а 'С са о с с а ° оса .с сОГЬ сККЬ СЬ Е)ь)с) "ООхБЙ сэнли оикиьэж о с(сэсэ1-сэс!сэс(о г- со с ла с с ДРР ага 0(ы)), Рм ! 1 г Р 4 ГиВ сч иа са а со асса сч со% са СЧ Счса с оъ сс аааааса ОСа ::Б'''~'' ОСа-Са — ч счсась --- сч Рис. 3.16. Экспериментальные зввнснмости длн смеснтелн нв переходе СИС на частоте 141 ГГи 11471: ВАХ при Р 0 (г) и оптнмвльной мощности гегеродниа (2); мощность иа вы. ходе смесителя прн теплой (206 К! (3) н холодной (77 К) (4) нагруэкак на входе 126 оссс о Ваиэ асч с с со г соса л л са лировать в ММ диапазоне случай !э=08(ссвхсм! для ТП на основе РЬ или Ь)Ь такое соотношение соответствует частотам сигнала )~=500...600 ГГц.
Хорошее совпадение измеренных и рассчитанных значений позволяет использовать трех- частотную модель для расчетов параметров квазичастичных смесителей на предель- Рис. 3.17. Значения эффективности преобрззоввнни онгнвлв г. э, рвссчнэвкиые и трехчасгогиом приблнженин длн смеснтелн 3-мм днвпвзона при 6(ы 1)=0 (а), 6(аэ — э)=6(ы1) (б) н 6(оэ Д=оо (в).
В областях, огрвннченных щтрвхоиымн лннинмн, )сс(0. с с о с и и и с с. с с и с о с с с с с с с с о с с о %» аа й. сс С СССд »ос сс о с сс с сс а % % х с с»1 'Б* ос»о хсс вй .с сх„ с а сйс со д с о с о но высоких частотах, лежащих в СММ диапазоне.,Полученные в 1119! значения Е,1 для переходов СИН были значительно больше, чем для переходов СИС, что связано с менее резкой нелинейностью ВАХ переходов СИН (ср.
рис. 3.3,в и 3.4,в). Это подтверждается сравнительными расчетами для переходов СИС и СИН с идеализированными ВАХ ~в пятичастотном ~приближении 11361, которые тем не менее показали, что при оптимальном выборе параметров внешней пепи и мощности гетеродина на обоих типах ТП возможно усиление сигнала вплоть до частот 1,=2А/Ь. При 1(в,!хиС(4 трехчастотная модель дает заниженные значения Е для первого пика преобразования ниже Уо [112, 117, 1281. Это связано с тем, что емкость ТП С менее эффективно закорачивает высшие гармоники. Однако данная модель по-прежнему дает практически верные значения Е, для пиков с [т[)2. Минимальное значение Е, реализуется при этом, как правило, на втором пике ниже Уо (т= — 2) лри У„, о — — Уо — (3/2)Ьв,/д.
Расчеты по трехчастотной модели при в,)длС~:1 янляются некорректными 1129!. В табл. 3.1 приведены основные параметры лучших супергетеродинных приемников ММ и длинноволновой части С)ММ диапазонов с,квазичастнчнымн ТП различных типов. Практически во всех случаях в смесителях использовались ТП с влйкС)1. Следовательно, трехчастотная модель с указанными ограничениями может быть (и в ряде работ была) успешно использована для оптимизации и расчета или оценки их параметров. Достигнутые в некоторых смесителях значения усиления сигнала пока невелики, но быстрый прогресс в технологии изготовления ТП и совершествованне конструкций смесителей позволят в ближайшие годы улучшить эти результаты. ШУМЫ В КВАЗИЧАСТ!1Ч11ЫХ СМЕСИТЕЛЯХ Шумы, наблюдаемые на выходе промежуточной частоты квазичастичного смесителя, складываются нз: 1) дробового шума тока 1(1), протекающего через ТП под действием периодически меняющегося напряжения гетеродина; 2) теплового шума нагрузок У(в ) на комбинационных частотах в, преобразованного на промежуточную частоту; 3) теплового шума сопротивления растекания )х, выводов сверхпроводящего перехода (если оно есть); 4) квантового шума, являющегося следствием принципа неопределенности (см.
9 1.2). Джозефсоновский шум в переходах СИС обсуждается в $3.5. Учет шумов, связанных с )1„, в ДСШ производится совершенно аналогично классическому случаю ДБШ (см, 9 2.6). Следует только помнить, что при низких рабочих температурах Т=! К в ММ диапазоне для среднего квадрата шумовой ЭДС вместо классической формулы Найквиста нужно использовать полное квантово-механическое соотношение (1.3). Тепловой шум внешних проводимостей У(вл,), находящихся при 128 + ([,['),= 2, г г.'Д „, т. л=- в где элементы корреляционной матрицы © операторов тока + Отл д По Щ[гг бт — л,! о (с[[! [(дУ1 + Ьво) ЯЬТ)) То (У1 + О.
1=- + Ь влад) +с[[1 [(дУ,— Ьвл) l2ЬТ) Уо (Уг Ь в„!д)) (3 66) Здесь, как и раньше, lо(У) — квазичастичная ВАХ сверхпроводящего ТП; Уо — постоянное напряжение на ТП; [[2ох — коэффициенты разложения (3.55) „У~= Уо+! Ьвг/д, а Яс — элементы матрицы импедансов, определяемой соотношением (2.32). В трехчастотном приближении выражения для Я упрощаются 11121: + 1)оо = 2д 2' .),' с[[1 (дУ„/ау) )о (Ул); л (ооо (г-го чот = (го — х +а = (2д/а„) 2 п)„'с(п(дУ„!2ЬТ)!,(У„)! л -т Ф (1ы=1~ — ~ — ~ =д 2 ([ — ~+ Г,+1]с1)1(дУ„/2ЬТ)! (У„)1 +т 0 — =() „=2д Х )„,З, гс[Л(дУ„12ЬТ) 1,(Ул).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
