Статья: Повышение показателей качества назначения субгармонического смесителя радиосигналов за счет применения резонансно-туннельного диода

Повышение показателей качества назначения субгармонического смесителя радиосигналов за счет применения резонансно-туннельного диода

В настоящее время большинство радиоприемных устройств систем телекоммуникаций, вещания и радиолокации строятся по схемам с преобразованием частоты радиосигнала, которое осуществляется с помощью смесителя. Одним из показателей качества радиоприемников является отсутствие интермодуляционных и нелинейных искажений в широком диапазоне изменения мощности входного сигнала [1, 2]. Характеристики смесителя, часто являющегося входным каскадом, существенно влияют на показатели качества всего радиоприемника [1-3]. В диапазоне СВЧ смесители строятся на базе диодов с барьером Шоттки. Вольтамперная характеристика этих диодов описывается экспоненциальным законом [1, 2]. В качестве нелинейного элемента преобразователей возможно применение РТД с формами ВАХ, отличными от экспоненты. Форму ВАХ РТД можно изменять в широком диапазоне путем изменения толщин и химического состава наноразмерных слоев гетероструктуры диода [4, 5]. Более пологая, чем у ДБШ, ВАХ РТД позволяет уменьшить амплитуды составляющих спектра высших порядков в выходном сигнале смесителя, тем самым уменьшив интермодуляционные искажения сигнала.

Антисимметричная ВАХ РТД позволяет разрабатывать смесители, работающие на четных гармониках гетеродина. Применение РТД позволяет использовать в качестве нелинейного элемента СГС только один полупроводниковый прибор вместо пары встречно-параллельных ДБШ, что исключает необходимость подбора пары диодов с идентичными параметрами [4-8].

Ниже проведен сравнительный анализ работы субгармонического смесителя (СГС) на базе диодов двух различных типов: РТД с различными формами ВАХ и ДБШ. Теоретический анализ проведен на основе упрощенной теории смесителей [1, 9]. Применение этой теории не позволяет вычислить точные значения основных параметров СГС (потери преобразования, точка компрессии, IP3), однако дает возможность провести сравнительный анализ работы СГС на базе РТД и ДБШ.

Теоретический анализ работы СГС на базе диодов с различными формами ВАХ

В настоящее время параметры смесителей на базе ДБШ с экспоненциальной ВАХ рассчитывают с помощью САПР, использующих метод гармонического баланса (Agilent ADS, Microwave Office (MWO), и др) [10]. Недостатком данного метода является нестабильная сходимость к решению, резко ухудшающаяся при расчете схем с нелинейными элементами (НЭ), ВАХ которых отличны от экспоненты. В работах [6, 7] расчет параметров СГС на РТД проводился с помощью MWO. В качестве модели РТД были применены НЭ с кусочно-линейной ВАХ [6] (совпадающей с ВАХ РТД при температуре 0 К) для расчета потерь преобразования и с экспоненциальной ВАХ для расчета IP3 [7]. Полученные в этих работах результаты обсуждаются ниже. Форма ВАХ РТД в диапазоне температур 60…100°С более пологая, чем экспоненциальная [11], но пакет MWO не позволяет задать реальную форму ВАХ РТД.

В данной работе применен метод теоретического анализа однодиодного смесителя радиосигналов на основе упрощенной теории преобразователей частоты [9], поскольку применение строгой теории смесителей [1, 2] трудоемко и требует знания всех параметров эквивалентной схемы НЭ. Нами метод адаптирован для исследования параметров смесителя на второй гармонике частоты гетеродина, идеализированная схема которого показана на рис. 1. При разработке алгоритма расчета приняты упрощающие предположения: допущение о гармонической форме напряжения на НЭ, отсутствие у него нелинейной емкости, учитываются только составляющие спектра низших порядков (в выражении для комбинационных частот смесителя mf_c+nf_г, m, n=0, ±1, ±2… сумма |m|+|n|?3), короткое замыкание НЭ на всех гармониках гетеродина, кроме второй. Алгоритм расчета параметров смесителей с помощью метода [9] был реализован нами в программной среде MathCAD.

На рис. 1 введены обозначения: I_c, U_с - ток и напряжение на частоте сигнала, I_пч - ток на промежуточной частоте, U_г - напряжение гетеродина, G_ист - выходная проводимость источника сигнала, G_н - проводимость нагрузки.

Рис. 1. Идеализированная схема смесителя

смеситель диод радиосигнал

Будем считать, что на выходных зажимах смесителя присутствует только напряжение промежуточной частоты, а на входных зажимах - только напряжение на частоте сигнала, то есть U_вых?U_пч, U_вх?U_с, что обеспечивается индуктивностью L_пч и емкостью С. Примем, что цепь подачи напряжения гетеродина полностью развязана с цепями сигнала и ПЧ, то есть все напряжение гетеродина падает только на нелинейном элементе смесителя. НЭ смесителя (РТД либо пара встречно-параллельных ДБШ) находится под воздействием гармонического напряжения гетеродина, обеспечивающего периодическое изменение проводимости НЭ. Так как НЭ обладает антисимметричной ВАХ, период изменения проводимости будет в два раза меньше периода напряжения гетеродина, что обусловливает возможность смешивания на второй гармонике частоты гетеродина с подавлением нечетных гармоник.

Зададим ВАХ нелинейного элемента в виде:

, (1)

где {a} - вектор параметров, характеризующий ВАХ НЭ.

Для расчета параметров смесителя на базе ДБШ воспользуемся моделью нелинейного сопротивления барьера Шоттки [1, 2] во встречно-параллельном включении:

, (2)

где а₁ = I₀ - ток насыщения диода, для ДБШ на базе Si I₀=10^-8, а₂ - подвижность электронов, задаваемая выражением:

, (3)

где q - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, Т - температура, N_U = 1…1,4 - «фактор идеальности» диода.

Рассмотрим НЭ смесителя под воздействием напряжений гетеродина и сигнала:

(4)

где U_г и w_г - амплитуда и частота напряжения гетеродина, U_с и ?_с - амплитуда и частота сигнала

При U_c<<U_г ток в нагрузке можно представить в виде суммы отдельных составляющих, обусловленных действием входного сигнала на нелинейный элемент с периодически меняющейся под воздействием напряжения гетеродина проводимостью.

Зависимость тока через диод от времени задается выражением:

, (5)

где f(U_вх(t), {a}) - аналитически заданная дифференцируемая функция.

Ток через нелинейный элемент можно представить в виде разложения в ряд Тейлора по степеням u_c(t):

(6)

В связи с малым значением U_c рассматриваем только два первых члена ряда. Так как первый член не несет информации о сигнале, полезный ток через НЭ представляется в виде:

(7)

где

(8)

Так как проводимость G (t, U_г{a}) является периодической функцией, ее можно разложить в тригонометрический ряд Фурье. Коэффициенты Фурье проводимости НЭ (далее - гармоники проводимости НЭ) являются функциями параметров ВАХ нелинейного элемента, а также напряжения гетеродина: G_n=G_n(U_г, {a}). Подставим гармоники проводимости НЭ в выражение (2):

(9)

Примем за промежуточную частоту составляющую (2щ_г-щ_с), соответствующую преобразованию с понижением частоты. Система уравнений для токов и напряжений в смесителе с учетом прямого преобразования частоты сигнала в промежуточную частоту и обратного преобразования промежуточной частоты в частоту сигнала:

(10)

Из системы уравнений (10) можно найти входную и выходную проводимости смесителя:

(11)

, (12)

где G_н - проводимость нагрузки, G_ист - внутренняя проводимость источника сигнала.

В выражениях (11, 12) входная и выходная проводимости смесителя определяются соотношением величин G₀ и G₂, которые зависят от напряжения гетеродина и формы ВАХ НЭ. Максимальная мощность сигнала будет выделяться на НЭ смесителя, если входная проводимость смесителя G_вх равна внутренней проводимости источника сигнала G_ист:

(13)

Для согласования входного сопротивления смесителя с внутренним сопротивлением источника сигнала при различных формах ВАХ НЭ можно управлять входной и выходной проводимостями смесителя путем изменения напряжения гетеродина. С другой стороны, для каждого значения мощности гетеродина можно подобрать форму ВАХ РТД, обеспечивающую согласование входа смесителя с источником сигнала.

Найдем коэффициент передачи напряжения смесителя, решая систему уравнений (10):

(14)

Для определения коэффициента передачи мощности смесителя нужно вычислить входную P_вх и выходную P_вых мощности:

, (15)

Тогда коэффициент передачи мощности при согласованном входе смесителя:

(16)

Так как коэффициенты G_n являются функцией напряжения гетеродина U_г и параметров ВАХ нелинейного элемента, потери преобразования также будут функциями этих аргументов:

(17)

Для исследования влияния параметров гетероструктуры РТД (толщина и химический состав слоев) на параметры СГС необходима математическая модель ВАХ РТД, основанная на параметрах гетероструктуры. На рис. 2 показана типичная ВАХ РТД. Для смесителей радиосигналов рабочий участок ВАХ должен находиться между падающими участками с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что необходимо для исключения паразитной генерации. Отметим, что существует возможность получения РТД без падающего участка ВАХ [7].

Рис. 2. Вольтамперная характеристика РТД

На рис. 3 показана энергетическая диаграмма гетероструктуры РТД на основе GaAs/Al_xGa_1-xAs, x=0,3…1.

Рис. 3. Энергетическая диаграмма гетероструктуры РТД. 1 - контактные области, 2 - спейсеры, 3 - потенциальные барьеры, 4 - потенциальная яма

Для описания начального участка ВАХ РТД была разработана математическая модель [11], основанная на параметрах зонной энергетической структуры РТД (рис. 3):

(18)

Параметр в, характеризующий вероятность прохождения электрона е ^- через контактные области гетероструктуры, определяется подвижностью электронов и зависит от температуры и параметров материала. При комнатной температуре для GaAs/AlGaAs в?30 эВ^-1. Параметр I₀ - ток насыщения диода. Значение I₀ определяется соотношением толщины слоя потенциальной ямы и высоты барьеров. В гетероструктурах с потенциальными барьерами из AlAs при толщине слоя ямы от 3 до 10 нм GaAs плотность тока насыщения диода находится в диапазоне от I₀?10⁶ А/см² до 10² А/см². Параметр б=exp(-вE_B) зависит от эффективной высоты барьера

E_B=E₀-E_F, где E₀ - энергия разрешенного уровня в потенциальной яме, E_F - уровень Ферми в контактных областях. Изменение концентрации Si в контактных областях от 1Ч10¹⁸ до 1Ч10¹⁹ при содержании Al в слоях барьеров x = 0,4 … 1 соответствует изменению E_B от 0 до 0.65 эВ. Параметр г определяется симметричностью гетероструктуры относительно слоя ямы. Для СГС интерес представляет РТД с антисимметричной ВАХ (г =0,5). Величина U - напряжение на РТД.

Для расчетов параметров СГС на базе AlGaAs РТД по формулам (11, 12, 17) можно записать выражение (18) в виде:

(19)

На рис. 4 показаны рассматриваемые в работе формы начального участка ВАХ РТД.

Рис. 4. Вольтамперные характеристики РТД Е_В=0.2 (1), 0.4 (2), 0.8 (3)

С учетом выражений (1) и (19) выражение (13) для РТД примет вид G_согл(U_г, I₀, E_B)=G_ист. Для ДБШ напряжение гетеродина, необходимое для согласования сопротивления НЭ, будет зависеть от материала (Si, GaAs) и от идеальности перехода Шоттки: G_согл(U_г, I₀, N_u)=G_ист.

На рис. 5 приведены зависимости входного сопротивления смесителя от мощности гетеродина для РТД при различных значениях параметра Е_В и для ДБШ, полученные из (11) с учетом (2, 19) при сопротивлении нагрузки R_н=1/G_н=50 Ом.

Рис. 5. Зависимости входного сопротивления R_вх СГС от мощности гетеродина P_г для РТД с Е_В=0.2 (1), 0.4 (2), 0.8 (3) и ДБШ (4)

Одним из основных параметров, определяющи [динамический диапазон обрабатываемых смесителем радиосигналов и стойкость к блокированию мощной помехой, является уровень 1 дБ компрессии, приведенный к входу смесителя (Р_-1). Известно, что компрессия сигнала наблюдается при мощности сигнала в пределах 0,1…0,5 от мощности гетеродина [1]. Следовательно, для увеличения динамического диапазона по уровню компрессии нужно увеличивать мощность гетеродина, подаваемую на смеситель.

Применяя РТД с различным значением параметра Е_В, можно разработать СГС, работающие как при пониженной мощности гетеродина (Р_г ? 0,5 мВт при Е_В=0,1 эВ), так и при повышенной - (Р_г ? 30 мВт при Е_В=0,65 эВ). Полученные в работе [6] значения мощности гетеродина, необходимые для работы РТД, значительно меньше (P_г=0.1…1 мВт). Это можно объяснить принятой в работе [6] кусочно-линейной аппроксимацией ВАХ РТД. Мощность гетеродина, при которой работают выпускаемые в настоящее время ДБШ, лежит в пределах 2…6 мВт [12].

В настоящее время разработано множество балансных схем, основанных на соединении диодов кольцом или звездой [2]. Применение двойных и тройных балансных схем позволяет увеличить мощность гетеродина в смесителях на базе ДБШ до 100 мВт и более [5]. Также для увеличения мощности гетеродина применяется последовательное либо параллельное соединение нескольких диодов [13]. Применение РТД позволит увеличивать мощность гетеродина для однодиодных и простых балансных смесителей, являющихся типичными решениями в диапазонах СВЧ и КВЧ [2]. Также применение простых схемотехнических решений диодных смесителей исключает необходимость подбора нескольких диодов с идентичными характеристиками и повышает надежность смесителя.