Смесительный полупроводниковый диод презентация

В простейших приёмных устройствах СВЧ диапазона для преобразования амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала обычно применяют детекторные диоды. Диодный демодулятор служит первым каскадом. В его функции входит преобразование модулированного СВЧ сигнала в низкочастотный сигнал, несущий первоначальную информацию. Чувствительность подобного рода приёмных устройств ограничивается шумами, возникающими в самом диоде и шумами последующего низкочастотного усилителя. Этот шум обратно пропорционален частоте модуляции, и поэтому величина шума уменьшается с возрастанием частоты модуляции fm, и уже на достаточно высоких частотах модуляции, достигающих десятков мегагерц, становится доминирующим частотно-независимый ”белый” шум, что ограничивает дальнейшее повышение частоты модуляции.
Чувствительность приёмных устройств можно значительно повысить, применив принцип гетеродинирования с использованием смесительного диода, поскольку при этом снимается проблема шумов пропорциональных 1 / fm.

Смесительный СВЧ диод — это полупроводниковый прибор с одним переходом и двумя выводами, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в супергетеродинных приёмниках в сигналы промежуточной частоты. Всего известно более 1000 типов смесительных диодов с применением различных конструктивно-технологических принципов.

ГЕТЕРОДИННЫЙ МЕТОД ПРИЁМА СЛАБЫХ СИГНАЛОВ
Слабый входной сигнал с частотой fc смешивается на нелинейном сопротивлении смесительного диода с напряжением местного генератора (гетеродина), работающего на частоте fг. Образуется разностный сигнал промежуточной частоты (ПЧ) fпч= |fc – fг| , который легко усиливается перед последующим детектированием. Величина промежуточной частоты выбирается в области, лежащей выше области шумов диода 1 / fm Принимаемый сигнал может быть как амплитудно-, так и частотно-модулированным, и должна быть использована соответствующая демодуляционная система.

Данный принцип обладает также таким достоинством как линейность характеристики, т.е. выходное напряжение гетеродинного преобразователя пропорционально величине входного сигнала.
Сигнал, поступающий в смеситель, накладывается на сигнал, поступающий туда же от местного гетеродина. Функции гетеродина может выполнять, например, диод Ганна или отражательный клистрон. Комплект, состоящий из смесителя и гетеродина, называется преобразователем.
Мощность гетеродина обычно много больше мощности сигнала и составляет несколько милливатт. Вся мощность сигнала должна поступать на диод. Частота гетеродина отличается от частоты сигнала на требуемую промежуточную частоту, обычно несколько десятков мегагерц.

В результате действия на диод сильного сигнала гетеродина и относительно слабого СВЧ сигнала в цепи возникает ток сложной формы, проходящий затем через фильтр нижних частот (ФНЧ). Амплитуда составляющей разностной частоты зависит от крутизны вольт-амперной характеристики смесительного диода и значения напряжения гетеродина. Если амплитуда напряжения гетеродина велика, то выходной сигнал слабо зависит от амплитуды сигнала гетеродина. Полученный в результате сложения сигнал промежуточной частоты подаётся на вход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) и далее на детекторный диод. Продетектированный сигнал еще раз усиливается и попадает на индикаторный прибор.
Таким образом, в основе гетеродинного метода приёма сигналов лежит процесс смешения сигналов.

ПРОЦЕСС СМЕШЕНИЯ
Смешение — это преобразование частоты, в результате которого слабый сигнал переносится с одной частоты на другую путём взаимодействия в нелинейном устройстве (диоде) с сильным сигналом гетеродина.
Таким образом, из-за нелинейности вольт-амперной характеристики диода протекающий через него ток под действием напряжений с частотами fc и fг содержит токи с комбинационными частотами вида |mfг± nfc| , где m и n — натуральные числа ( 1,2,3 … ). Смесительный диод ”генерирует” теоретически бесконечное число сигналов на суммарных и разностных частотах. Обычно представляет интерес частота, равная разности частот сигнала и первой гармоники частоты гетеродина. Она называется промежуточной частотой. Падение напряжения на контуре колебательной системы ПЧ создаёт только составляющая тока промежуточной частоты fпч= |fc – fг|. Это напряжение и представляет собой полезный преобразованный сигнал

Выходной сигнал смесительного диода

Мощность сигнала ПЧ мала, диод выдаёт также гармоники частоты гетеродина и сигнала. Гармоники гетеродинной частоты (высокого уровня мощности) взаимодействуют с сигналом ПЧ, приводя к возникновению суммарных и разностных частот, называемых гармоническими боковыми частотами. Взаимодействием сигналов низких уровней (например, гармоники сигнальной частоты и сигнала ПЧ) можно пренебречь, поскольку результирующие составляющие имеют еще более низкий уровень. Сигнал зеркальной частоты может образовываться в результате биений радиосигнала на второй гармонике гетеродина, однако значительно более существенной причиной его возникновения являются биения между сигналом гетеродина и сигналом ПЧ. Если смеситель по входу широкополосный, то есть для сигнальной fc и зеркальной частот fзимпедансодинаков, то на входном полюсе смесителя будет действовать и сигнал зеркальной частоты.

Когда же входная цепь имеет меньшую полосу пропускания, мощность на зеркальной частоте может полностью отразиться обратно к диоду. Будет иметь место дальнейшее преобразование к промежуточной частоте, и в зависимости от фазы отражения оно приводит к уменьшению или увеличению эффективности преобразования. Если фаза отражения этого сигнала регулируется так, что номинальная мощность сигнала ПЧ возрастает, то можно говорить о преобразовании с возвратом сигнала зеркальной частоты.
Как показывает анализ, из всего спектра гармоник и комбинационных частот тока диода основное влияние на потери преобразования сигнала в смесителе (величину, обратную коэффициенту передачи) наряду с составляющими частот fc, fг и fпч, оказывают также зеркальная комбинационная частота fз= fг+ fпч= 2fг– fc , вторая гармоника гетеродина 2 f г , суммарная частота fΣ= fг+ fc и постоянная составляющая тока I0.

Комбинационные частоты fзи fΣ являются паразитнымив отличие от fпч, так как часть полезной мощности сигнала Pc, преобразованная на эти частоты, расходуется в нагрузках их цепей. При широкополосной выходной цепи смесителя колебания частот fзи fΣ излучаются внеё полностью или же частично поглощаются ею. Однако, как показывает опыт, из паразитных комбинационных частот наиболее существенное влияние оказывает на потери преобразования в основном зеркальная частота, поэтому только ее и учитывают.

КОНСТРУКЦИЯ
Для удобства включения в соответствующие элементы цепей СВЧ (например, волноводные и коаксиальные) смесительные диоды помещают в герметичные металлокерамические корпуса различной конструкции.

Диод в корпусе (а) используется в сантиметровом диапазоне длин волн до частот порядка 12 ГГц.
Коаксиальная конструкция диода (б) получила распространение в системах СВЧ короткого сантиметрового диапазона до частот порядка 30 ГГц.
Корпус диода патронной конструкции (а,б) состоит из двух металлических фланцев 1,2, разделённых керамической втулкой 3. На верхнем фланце крепится кристаллодержатель 4 с полупроводниковым кристаллом 5, а в нижнем — настроечный штифт 6 с вольфрамовой контактной пружинкой 7, которая имеет изгибы в обе стороны от оси. Двусторонний симметричный изгиб уменьшает тангенциальную составляющую силы давления в точке контакта и предотвращает скольжение пружинки по кристаллу. Для повышения поверхностной проводимости фланцы золотят. В настоящее время в связи с созданием миниатюрных смесительных устройств на основе полосковых линий и внедрения технологии гибридных схем появились новые миниатюрные конструкции смесительных диодов (г, д, е, ж, з).

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА
Представить диод в виде системы с сосредоточенными параметрами можно, если линейные размеры его (длина корпуса, толщина перехода) малы по сравнению с длиной волны.
Эквивалентная схема всех разновидностей смесительных диодов с учётом реактивных элементов корпуса приведена на рисунке.Здесь переход представлен дифференциальными параметрами: сопротивлением перехода rпер= ∂U / ∂i и барьерной ёмкостью Cбар. Потери в базе диода, омических переходах и выводах отображены последовательным сопротивлением потерь rб, индуктивность выводов и контактной пружинки — Lк, конструктивная ёмкость между выводами при отсутствии контакта с диодной структурой — Cк. Из-за падения напряжения на rб и rк приложенноек переходу напряжение оказывается меньше, чем подведённое к диоду, а ёмкость Cк шунтируетего. Эти параметры называют паразитными. Типичные значения Cк, и Lк— десятые доли пикофарады и наногенри соответственно, rб — десятые доли или единицы ома. У бескорпусных диодов значение Cк и Lк примернона порядок меньше, благодаря чему их эффективность выше. Значение дифференциального сопротивления rпер можетизменяться в широких пределах в зависимости от положения рабочей точки ВАХ диода, значение Cбар — десятые доли пикофарад.
Параметры схемы можно определить путём измерений на низких частотах или приближенно на основе процесса выпрямления. Эквивалентная схема используется для расчёта характеристик смесителя на высоких частотах.

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
1) Потери преобразования диода L. Они характеризуют уменьшение мощности сигнала СВЧ ( Pc ) при его преобразовании в сигнал ПЧ ( Pпч) и равны отношению номинальных мощностей этих сигналов.
2) Относительная шумовая температура tш. Она характеризует избыточные шумы, вносимые диодом на ПЧ по сравнению с шумами обычного резистора в той же полосе частот.

3) Коэффициент шума Fнорм — главный параметр смесительного диода. Его получают при измерении параметров диода в стандартных приёмных устройствах с учётом коэффициента шума УПЧ
где
tш — относительная шумовая температура диода;
L — потери преобразования смесительного диода;
Kупч — коэффициент шума УПЧ в относительных единицах
4) Выходное сопротивление Rвых имеет важноезначение для согласования диода с УПЧ. При разработке диодов принимают меры к тому, чтобы Rвых было близкок типовому значению входного сопротивления усилителя. Однако полного соответствия получить не удаётся.
Полное выходное сопротивление смесительного диода на промежуточной частоте имеет комплексный характер. Реактивная составляющая выходного сопротивления определяется ёмкостью кристаллодержателя, которая составляет примерно 6…15 пФ. Индуктивностью кристаллодержателя обычно пренебрегают.
Активная составляющая выходного сопротивления смесителя в основном определяется самим диодом и зависит от режима работы.

5) Входное сопротивление диода также имеет существенное значение, так как неправильное согласование входа смесителя с входным трактом может привести к значительному отражению мощности принятого сигнала. Входное сопротивление диода определяется не только физическими параметрами p–n-перехода (дифференциальноесопротивление rпер= ∂U / ∂I в рабочей точке, ёмкость перехода Cбар исопротивление базы rб), но и распределёнными реактивностями прибора, например, ёмкостью корпуса и индуктивностью выводов. При конструировании диода сопротивление Zвх стараютсядля облегчения задачи согласования сделать чисто активным и равным стандартному значению волнового сопротивления СВЧ тракта (50 или 75 Ом).

7) Электрическая прочность диодов в области отрицательных напряжений характеризуется нормированным обратным напряжением Uнорм.обр, при котором обратный ток достигает определённого значения, например для ДБШ Iобр= 10 мкА.
8) Электрическую прочность диода характеризуют мощности Pнепдоп , Pндоп и энергия Wпдоп. При превышении этих уровней мощности может произойти необратимое ухудшение параметров диода или полное выгорание его выпрямляющего контакта. Непрерывная мощность Pнепдоп ограничивает оптимальную допустимую мощность гетеродина, а Pндоп и Wпдоп характеризуют максимально допустимые уровни импульсной мощности и энергии пика при работе диода в схеме СВЧ устройства.

9) Быстродействие . Инерционность электрических процессов в диоде определяется постоянной времени t = rбCбар и инерционностью неосновных носителей, определяющих диффузионную ёмкость р–n-перехода при протекании прямого тока. Поэтому для повышения частотного предела работы используют переходы с малыми поперечными размерами — точечные, барьерная ёмкость которых не превышает десятых долей пикофарад, либо диоды с барьером Шоттки, у которых практически отсутствует диффузионная ёмкость.

ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ГЕТЕРОДИННОЙ СХЕМЫ

ПРИМЕНЕНИЕ СМЕСИТЕЛЬНЫХ ДИОДОВ
Для того чтобы смесительный диод одновременно включить в высокочастотный тракт и цепь выпрямленного тока применяют смесительные секции (смесители).
Смеситель — это устройство, выполненное на волноводной, коаксиальной или микрополосковой линии передачи с одним или несколькими смесительными диодами, осуществляющее преобразование частоты.
Смесители отличаются от детекторов наличием еще одного входа для подключения гетеродина. Смеситель совместно с гетеродином входит в состав преобразователя. Преобразование частоты широко используется в супергетеродинных приёмниках для получения промежуточной частоты.
Актуальной на сегодняшний день является задача повышения эффективности специальных технических средств по приёму сигналов радиорелейных линий связи в условиях стационарных объектов, для спутниковой связи, телевидения, в возбудителях и гетеродинах для переноса сетки стабильных частот в более высокий диапазон, в ретрансляторах для сдвига частоты передачи относительно частоты приёма и т.д. Одним из путей повышения их эффективности является разработка широкого ряда малошумящих преобразователей (МШПР), в состав которых входит смеситель.

Область применения МШПР — автоматизированные многоканальный приёмные комплексы, действующие в обстановке изменяющихся задач, адаптируемых к видам применяемых сигналов.
Общие требования, предъявляемые к входным смесителям, следующие: минимальный коэффициент шума Fнорм и потери преобразования L ; равномерность амплитудно-частотной характеристики и линейность фазо-частотной характеристики (ФЧХ); минимальный уровень мощности гетеродина; максимальная развязка трактов гетеродина и сигнала СВЧ; максимальное подавление нежелательных продуктов преобразования; низкий КСВН по сигнальному и гетеродинному входам; надёжность работы; малые габаритные размеры и масса.
Различают небалансные, балансные, двойные балансные и кольцевые схемы смесителей.