В работе [6] получена зависимость оптимальной мощности гетеродина от значения Vпор, значения напряжения на диоде, при котором при котором происходит излом кусочно-линейной идеализированной ВАХ. При этом не указаны значения потерь преобразования СГС на базе РТД с каждым из возможных значений Vпор. На рис. 6 приведены полученные нами зависимости потерь преобразования от мощности гетеродина для РТД при различных значениях параметра ЕВ и ДБШ с Nu=1,2. ВАХ РТД соответствует выражению (19), а ВАХ ДБШ - выражению (2). Расчет потерь преобразования проводился с помощью соотношения (17).
Рис. 6. Зависимости потерь преобразования смесителя от мощности гетеродина для РТД с ЕВ=0.2 (1), 0.4 (2), 0.8 (3) и ДБШ (4)
Потери преобразования смесителя на базе РТД с ЕВ<0,3 эВ больше на 1..3 дБ, чем у смесителя на базе ДБШ. С увеличением эффективной высоты барьера РТД ЕВ>0,4 эВ потери преобразования смесителя уменьшаются до величины, соответствующей смесителю на базе ДБШ. Таким образом, наиболее эффективным представляется использование РТД в смесителях, работающих при увеличенной мощности гетеродина, что необходимо также для увеличения динамического диапазона обрабатываемых смесителем радиосигналов.
Отметим, что принятые нами упрощающие предположения для анализа работы смесителя не позволяют точно описать зависимости Gn от мощности гетеродина, и, следовательно, вычислить коэффициенты передачи смесителя для составляющих спектра выходного сигнала с порядками больше 3. Для точного определения амплитуд составляющих выходного спектра СГС и зависимостей этих амплитуд от режимов работы смесителя нужно применение строгой теории преобразователей частоты [1, 2], либо проведение экспериментальных исследований. Ниже проведено экспериментальное исследование влияния формы ВАХ НЭ на спектр выходного сигнала СГС.
Экспериментальное исследование параметров СГС
С увеличением частоты выше 1 ГГц начинают проявляться паразитные конструктивные параметры диодов (емкость корпуса, индуктивность выводов). Для того, чтобы исследовать высшие гармоники гетеродина и сигнала необходимо, чтобы паразитные емкости и индуктивности не оказывали значительного влияния на частотах, соответствующих 8…12 гармоникам частоты гетеродина. Поэтому частоты сигнала и гетеродина в смесителе, разработанном для исследования, выбраны в диапазоне 50…100 МГц.
Для экспериментальных исследований был разработан макет смесителя для диапазона ~100 МГц, в котором можно не учитывать влияние реактивных составляющих эквивалентной схемы диодов. Макет состоит из кольцевого сумматора мощности на дискретных элементах, индуктивности и конденсатора для разделения контуров сигнала и ПЧ. Частота гетеродина во всех экспериментах составляла 55 МГц, частоты сигналов f1=106.5 МГц и f2=107 МГц, промежуточные частоты - 3 и 3.5 МГц. Для определения точки пересечения третьего порядка использовались составляющие 2f1-f2=106 МГц и 2f2-f1=107.5 МГц. Номиналы разделительных конденсатора и индуктивности (рис. 1) были выбраны исходя из значений их сопротивлений на частотах сигнала, гетеродина и ПЧ и составляли 68 пФ и 100 мкГн соответственно.
Разработанная конструкция макета смесителя со сменными диодами (рис. 7) позволяет проводить исследование различных диодов в одинаковых условиях по следующим параметрам: потери преобразования, уровень компрессии, точка пересечения третьего порядка (IP3).
Рис. 7. Смеситель ОВЧ диапазона со сменными диодами
Для экспериментального исследования параметров смесителей были выбраны следующие нелинейные элементы: пара ДБШ (встречно-параллельное включение), РТД1 с значением параметра EB=0.4 (ВАХ, близкая к кубической) и РТД2 с ЕВ=0.6 (ВАХ описывается полиномом 7-й степени). Измеренные вольтамперные характеристики диодов показаны на рис. 8.
Рис. 8. Измеренные вольтамперные характеристики РТД1 (1), РТД2 (2) и ДБШ (3)
Были измерены зависимости потерь преобразования и значения IP3 от мощности гетеродина для трех различных нелинейных элементов. Все экспериментальные зависимости приведены с учетом потерь в сумматорах. Экспериментальные зависимости потерь преобразования от мощности гетеродина приведены на рис. 9.
Рис. 9. Экспериментальные зависимости потерь преобразования от мощности гетеродина для РТД1 (1), РТД2 (2) и ДБШ (3)
Мощность гетеродина, необходимая для обеспечения минимума потерь преобразования для РТД2 не была достигнута в связи с ограничением мощности генератора. Характер экспериментальных зависимостей потерь преобразования от мощности гетеродина повторяет характер теоретических зависимостей (рис. 6). Различие между теоретическими и экспериментальными значениями потерь преобразования связано с принятыми упрощающими предположениями теоретического расчета. Также на значения выходных параметров экспериментального макета смесителя влияет неидеальность характеристик фильтров, обеспечивающих разделение контуров сигнала и ПЧ. В целом, теоретические зависимости потерь преобразования от мощности гетеродина (рис. 6) согласуются с результатами эксперимента.
Для сравнения интермодуляционных искажений сигнала в смесителях на базе РТД и ДБШ были измерены зависимости точки пересечения третьего порядка по входу (IP3вх) от мощности гетеродина. Ранее было показано, что амплитуды составляющих спектра выходного сигнала смесителя на РТД немонотонно зависят от мощности гетеродина, следовательно, для сравнения IP3 смесителей на базе РТД и ДБШ нужно исследование зависимости IP3 от мощности гетеродина. На рис. 10 показаны экспериментальные зависимости IP3вх от мощности гетеродина для СГС на базе РТД и ДБШ.
Рис. 10. Экспериментальные зависимости значения IP3вх от мощности гетеродина для РТД1 (1), РТД2 (2) и ДБШ (3)
Значение IP3вх смесителя на базе ДБШ монотонно растет с увеличением мощности гетеродина, тогда как этот же параметр смесителя на базе РТД имеет несколько локальных максимумов, что позволяет изменять интермодуляционные параметры путем управления мощностью гетеродина в небольших пределах. Применение РТД позволяет увеличить значение IP3 на 10…12 дБ по сравнению с ДБШ при одинаковой мощности гетеродина.
В работе [7] был проведен расчет IP3 СГС на базе РТД в зависимости от величины Vпор (аналог параметра ЕВ в данной работе). При этом не были исследованы зависимости IP3 от мощности гетеродина для каждой формы ВАХ РТД. Полученные в [7] рассчитанные значения IP3 для СГС на РТД на 25…40 дБ хуже, чем для ДБШ. Это противоречит полученним нами результатам. Противоречие можно объяснить принятым в [7] способом аппроксимации ВАХ РТД с помощью экспоненциальной зависимости. Кроме того, мощность гетеродина, при которой рассчитаны значения IP3 СГС на РТД (Pг=-10… - 2 дБм), значительно меньше, чем при расчете IP3 СГС на ДБШ (Рг=3…7 дБм).
Выше было показано (рис. 6), что оптимальная с точки зрения минимума потерь преобразования мощность гетеродина для СГС на РТД может достигать 30 мВт. Это открывает перспективу для разработки смесителей на РТД с высоким уровнем IP3 без применения схем с двойной и тройной балансировкой.
Выводы
1. Применение РТД в смесителе радиосигналов позволяет повысить следующие показатели качества: уровень компрессии входного сигнала и уровень инетрмодуляционных искажений. СГС на РТД выигрывают у СГС на ДБШ по значению IP3 при одной и той же мощности гетеродина в диапазоне 0.5…30 мВт/диод, при этом значение точки компрессии не ухудшается, но потери преобразования увеличиваются на 1…2 дБ.
2. Как известно, для увеличения значения точки компрессии нужно увеличивать мощность гетеродина. Технологически достижимые параметры гетероструктур позволяют разрабатывать РТД, работающие с мощностью гетеродина 0,5…30 мВт/диод, и смесители на их основе, работающие при повышенной мощности гетеродина, без применения сложных схем с двойной и тройной балансировкой.
3. Применение РТД в смесителе позволяет изменять значение IP3 путем управления мощностью гетеродина. Экспериментально получено увеличение значения IP3 смесителя на базе РТД на 15 дБ по сравнению со смесителем на ДБШ при увеличении потерь преобразования на величину не более 2 дБ.
Литература
смеситель диод радиосигнал
1. Розанов Б.А., Розанов С.Б., Приемники Миллиметровых волн. М.: Радио и связь, 1989, 169 с.
2. Maas S.A., Microwave Mixers. Boston, Artech House, 1993, 396 p.
3. Белов Л.А. Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компоненты. М.: Электроника: наука, технологии, бизнес. 2004, №2, с. 44-50.
4. Георгиевский А.М., Громов Д.В., Дудинов К.В. и др. Исследование направлений применения резонансно-туннельного диода в интегральных схемах СВЧ диапазона. Микроэлектроника - 1996. - Т.25, N4. с. 249-258.
5. Иванов Ю.А., Малышев К.В., Федоркова Н.В. Формирование ВАХ AlGaAs нанодиодов // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии.: Тез. докл. 14 Междунар. Крымская конф. - Севастополь, 2004. - C.532-534.
6. Алкеев Н.В. Расчет параметров субгармонического смесителя на резонансно-туннельном диоде. М.: Радиотехника и электроника, 2003, т. 48, №4 с. 508-512.
7. Алкеев Н.В. Анализ шумовых и динамических свойств субгармонического смесителя на резонансно-туннельном диоде. М.: Радиотехника и электроника, 2004, том 49, №104, с. 1258-1263.
8. Малышев К.В., Иванов Ю.А., Перунов Ю.М., Федоркова Н.В. Гармониковый смеситель СВЧ диапазона на РТД. Тезисы доклада 8 Междунар. Крымская конф.: «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». - Севастополь, (Украина), 1998 - Т.2.
9. Румянцев К.Е. Радиоприемные устройства. М.: Академия, 2006 - 336 с.
10. MWOffice. Applied Wave Research Inc., http://www.mwoffice.com
11 Малышев. К.В. Разработка технологического метода повышения эксплуатационных показателей нелинейных преобразователей спектра радиосигналов путём применения AlGaAs гетероструктур: Дис…. канд. техн. наук. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 183 с.
12. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник. под ред. Наливайко Б.А. - Томск: МГП «Раско», 1992 - 223 с.
13 - Рэд Э.Т. Схемотехника радиоприемников. М.: Мир, 1989, 180 с.