- Вступ
- 1. Теоретичний аналіз роботи СГС на базі діодів з різними формами ВАХ.
- 2. Експериментальне дослідження параметрів СГС
- Висновки.
- Література.
Іванов Ю.А., Мєшков С.А., Попов В.В., Федоренко І.А., Федоркова Н.В.
(МГТУ ім. Н. Е. Баумана, кафедра «Технології приладобудування»)
Проведено порівняльний аналіз роботи субгармоніческіх змішувача (СГС) радіосигналів на базі резонансно-тунельного діода (РТД) і на базі діода з бар'єром Шотткі (ДБШ). Розраховані залежності втрат перетворення СГС на РТД і ДБШ від потужності гетеродина. Показані режими роботи СГС, що дозволяють отримати підвищення показників якості змішувача на базі РТД в порівнянні зі змішувачем на базі ДБШ: підвищення потужності гетеродина на один діод і динамічного діапазону за рівнем компресії, зменшення інтермодуляционних спотворень сигналу і підвищення значення IP 3.
Вступ
В даний час більшість радіоприймальних пристроїв систем телекомунікацій, мовлення і радіолокації будуються за схемами з перетворенням частоти радіосигналу, яке здійснюється за допомогою змішувача .. Одним з показників якості радіоприймачів є відсутність інтермодуляционних і нелінійних спотворень в широкому діапазоні зміни потужності вхідного сигналу [1, 2] . Характеристики змішувача, часто є вхідним каскадом, істотно впливають на показники якості всього радіоприймача [1-3]. У діапазоні СВЧ змішувачі будуються на базі діодів з бар'єром Шоттки. Вольтамперная характеристика цих діодів описується експоненціальним законом [1, 2]. Як нелінійного елемента перетворювачів можливе застосування РТД з формами ВАХ, відмінними від експоненти. Форму ВАХ РТД можна змінювати в широкому діапазоні шляхом зміни товщини і хімічного складу нанорозмірних шарів гетероструктури діода [4, 5]. Пологіша, ніж у ДБШ, ВАХ РТД дозволяє зменшити амплітуди складових спектра вищих порядків у вихідному сигналі змішувача, тим самим зменшивши інтермодуляційні спотворення сигналу.
Антисиметрична ВАХ РТД дозволяє розробляти змішувачі, що працюють на парних гармоніках гетеродина. Застосування РТД дозволяє використовувати в якості нелінійного елемента СГС тільки один напівпровідниковий прилад замість пари зустрічно-паралельних ДБШ, що виключає необхідність підбору пари діодів з ідентичними параметрами [4-8].
Нижче проведено порівняльний аналіз роботи субгармоніческіх змішувача (СГС) на базі діодів двох різних типів: РТД з різними формами ВАХ і ДБШ. Теоретичний аналіз проведено на основі спрощеної теорії змішувачів [1, 9]. Застосування цієї теорії не дозволяє обчислити точні значення основних параметрів СГС (втрати перетворення, точка компресії, IP 3), проте дає можливість провести порівняльний аналіз роботи СГС на базі РТД і ДБШ.
1. Теоретичний аналіз роботи СГС на базі діодів з різними формами ВАХ.
В даний час параметри змішувачів на базі ДБШ з експоненційної ВАХ розраховують за допомогою САПР, які використовують метод гармонійного балансу (Agilent ADS, Microwave Office (MWO), та ін) [10]. Недоліком даного методу є нестабільна збіжність до вирішення, різко погіршується при розрахунку схем з нелінійними елементами (НЕ), ВАХ яких відмінні від експоненти. У роботах [6, 7] розрахунок параметрів СГС на РТД проводився за допомогою MWO. В якості моделі РТД були застосовані НЕ з кусочно-лінійної ВАХ [6] (що збігається з ВАХ РТД при температурі 0 К) для розрахунку втрат перетворення і з експоненційної ВАХ для розрахунку IP 3 [7]. Отримані в цих роботах результати обговорюються нижче. Форма ВАХ РТД в діапазоні температур 60 ... 100 ° С більш полога, ніж експоненціальна [11], але пакет MWO не дозволяє поставити реальну форму ВАХ РТД.
У даній роботі застосовано метод теоретичного аналізу однодіодного змішувача радіосигналів на основі спрощеної теорії перетворювачів частоти [9], оскільки застосування суворої теорії змішувачів [1, 2] занадто багато роботи і вимагає знання всіх параметрів еквівалентної схеми НЕ. Нами метод адаптований для дослідження параметрів змішувача на другій гармоніці частоти гетеродина, ідеалізована схема якого показана на рис. 1. При розробці алгоритму розрахунку прийняті спрощують припущення: допущення про гармонійної формі напруги на НЕ, відсутність у нього нелінійної ємності, враховуються тільки складові спектра нижчих порядків (у натуральному вираженні для комбінаційних частот змішувача mfc + nf г, m, n = 0, ± 1 , ± 2 ... сума | m | + | n | ≤3), коротке замикання НЕ на всіх гармониках гетеродина, крім другої. Алгоритм розрахунку параметрів змішувачів за допомогою методу [9] був реалізований нами в програмному середовищі MathCAD.
На рис. 1 введені позначення: Ic, U с - струм і напруга на частоті сигналу, I пч - ток на проміжній частоті, U г - напруга гетеродина, G іст - вихідна провідність джерела сигналу, G н - провідність навантаження.
Мал. 1. Ідеалізована схема змішувача.
Будемо вважати, що на вихідних затискачах змішувача присутній тільки напруга проміжної частоти, а на вхідних затисках - тільки напруга на частоті сигналу, тобто U вих ≡ U пч, U вх ≡ U с, що забезпечується індуктивністю L пч і ємністю С. Приймемо, що ланцюг подачі напруги гетеродина повністю розв'язана з ланцюгами сигналу і ПЧ, тобто всю напругу гетеродина падає тільки на нелінійному елементі змішувача. НЕ змішувача (РТД або пара зустрічно-паралельних ДБШ) знаходиться під впливом гармонійної напруги гетеродина, що забезпечує періодичну зміну провідності НЕ. Так як НЕ володіє антисиметричною ВАХ, період зміни провідності буде в два рази менше періоду напруги гетеродина, що обумовлює можливість змішування на другій гармоніці частоти гетеродина з придушенням непарних гармонік.
Задамо ВАХ нелінійного елемента у вигляді:
, (1)
де {a} - вектор параметрів, що характеризує ВАХ НЕ.
Для розрахунку параметрів змішувача на базі ДБШ скористаємося моделлю нелінійного опору бар'єру Шотткі [1, 2] у зустрічно-паралельному включенні:
, (2)
де а1 = I0 - струм насичення діода, для ДБШ на базі Si I 0 = 10-8, А2 - рухливість електронів, що задається виразом:
, (3)
де q - заряд електрона, k - постійна Больцмана, Т - температура, N U = 1 ... 1,4 - «фактор ідеальності» діода.
Розглянемо НЕ змішувача під впливом напружень гетеродина і сигналу:
(4)
де U г і w г - амплітуда і частота напруги гетеродина, U з і w з - амплітуда і частота сигналу
При Uc << Uг струм у навантаженні можна представити у вигляді суми окремих складових, обумовлених дією вхідного сигналу на нелінійний елемент з періодично змінюється під впливом напруги гетеродина провідністю.
Залежність струму через діод від часу задається виразом:
, (5)
де f (Uвх (t), {a}) - аналітично задана диференційована функція.
Струм через нелінійний елемент можна представити у вигляді розкладання в ряд Тейлора за ступенями u c (t):
(6)
У зв'язку з малим значенням U c розглядаємо тільки два перших члена ряду. Так як перший член не несе інформації про сигнал, корисний струм через НЕ представляється у вигляді:
(7)
де
(8)
Так як провідність G (t, U г {a}) є періодичною функцією, її можна розкласти в тригонометричний ряд Фур'є. Коефіцієнти Фур'є провідності НЕ (далі - гармоніки провідності НЕ) є функціями параметрів ВАХ нелінійного елемента, а також напруги гетеродина: G n = G n (U г, {a}). Підставами гармоніки провідності НЕ в вираз (2):
(9)
Приймемо за проміжну частоту складову ( 2ωг-ωс ), Що відповідає перетворенню зі зниженням частоти. Система рівнянь для струмів і напруг в змішувачі з урахуванням прямого перетворення частоти сигналу в проміжну частоту і зворотного перетворення проміжної частоти в частоту сигналу:
(10) Із системи рівнянь (10) можна знайти вхідну і вихідну провідності змішувача:
(11) 
, (12) де G н - провідність навантаження, G іст - внутрішня провідність джерела сигналу.
(13) Знайдемо коефіцієнт передачі напруги змішувача, вирішуючи систему рівнянь (10):
(14) 
, 
(15) Тоді коефіцієнт передачі потужності при узгодженому вході змішувача:
(16) 
(17) ![Відзначимо, що існує можливість отримання РТД без падаючого ділянки ВАХ [7]](/wp-content/uploads/2020/03/uk-merezevij-elektronnij-naukovij-zurnal-quotsistemotehnikaquot-20.gif)
Мал. 2. Вольтамперная характеристика РТД
(18) Параметр β, що характеризує ймовірність проходження електрона е-через контактні області гетероструктури, визначається рухливістю електронів і залежить від температури і властивостей матеріалу. При кімнатній температурі для GaAs / AlGaAs β ≈30 еВ-1. Параметр I0 - струм насичення діода. Значення I 0 визначається співвідношенням товщини шару потенційної ями і висоти бар'єрів. У гетероструктурах з потенційними бар'єрами з AlAs при товщині шару ями від 3 до 10 нм GaAs щільність струму насичення діода знаходиться в діапазоні від I0 ≈106 А / см2 до 102 А / см2. Параметр α = exp (- βE B) залежить від ефективної висоти бар'єру
E B = E 0 - E F, де E 0 - енергія дозволеного рівня в потенційній ямі, E F - рівень Фермі в контактних областях. Зміна концентрації Si в контактних областях від 1 × 1018 до 1 × 1019 при утриманні Al в шарах бар'єрів x = 0,4 ... 1 відповідає зміні EB від 0 до 0.65 еВ. параметр γ визначається симетричністю гетероструктури щодо шару ями. Для СГС інтерес представляє РТД з антисиметричною ВАХ (γ = 0,5). Величина U - напруга на РТД.
(19) На рис. 4 показані розглядаються в роботі форми початкового ділянки ВАХ РТД.
Мал. 4. Вольтамперні характеристики РТД ЕВ = 0.2 (1), 0.4 (2), 0.8 (3)
На рис. 5 наведено залежності вхідного опору змішувача від потужності гетеродина для РТД при різних значеннях параметра ЕВ і для ДБШ, отримані з (11) з урахуванням (2, 19) при опорі навантаження R н = 1 / G н = 50 Ом.
2. Експериментальне дослідження параметрів СГС
Зі збільшенням частоти вище 1 ГГц починають проявлятися паразитні конструктивні параметри діодів (ємність корпусу, індуктивність висновків). Для того, щоб дослідити вищі гармоніки гетеродина і сигналу необхідно, щоб паразитні ємності і індуктивності не чинили значного впливу на частотах, відповідних 8 ... 12 гармоникам частоти гетеродина. Тому частоти сигналу і гетеродина в змішувачі, розробленому для дослідження, обрані в діапазоні 50 ... 100 МГц.
Для експериментальних досліджень був розроблений макет змішувача для діапазону ~ 100 МГц, в якому можна не враховувати вплив реактивних складових еквівалентної схеми діодів. Макет складається з кільцевого суматора потужності на дискретних елементах, індуктивності і конденсатора для поділу контурів сигналу і ПЧ. Частота гетеродина у всіх експериментах становила 55 МГц, частоти сигналів f 1 = 106.5 МГц і f 2 = 107 МГц, проміжні частоти - 3 і 3.5 МГц. Для визначення точки перетину третього порядку використовувалися складові 2 f 1 - f 2 = 106 МГц і 2 f 2 - f 1 = 107.5 МГц. Номінали розділових конденсатора й індуктивності (рис. 1) були обрані виходячи з значень їх опорів на частотах сигналу, гетеродина і ПЧ і становили 68 пФ і 100 мкГн відповідно.
Розроблена конструкція макета змішувача зі змінними діодами (рис.7) дозволяє проводити дослідження різних діодів в однакових умовах за такими параметрами: втрати перетворення, рівень компресії, точка перетину третього порядку (IP 3).
Мал. 7. Змішувач ДВЧ діапазону зі змінними діодами
Для експериментального дослідження параметрів змішувачів було обрано такі нелінійні елементи: пара ДБШ (зустрічно-паралельне включення), РТД1 з значенням параметра EB = 0.4 (ВАХ, близька до кубічної) і РТД2 з ЕВ = 0.6 (ВАХ описується поліномом 7-го ступеня). Виміряні вольтамперні характеристики діодів показані на рис. 8.
Мал. 8. Обмірювані вольтамперні характеристики РТД1 (1), РТД2 (2) і ДБШ (3)
Були виміряні залежності втрат перетворення і значення IP 3 від потужності гетеродина для трьох різних нелінійних елементів. Всі експериментальні залежності наведені з урахуванням втрат в суматорах. Експериментальні залежності втрат перетворення від потужності гетеродина наведені на рис. 9.
Мал. 9. Експериментальні залежності втрат перетворення від потужності гетеродина для РТД1 (1), РТД2 (2) і ДБШ (3).
Потужність гетеродина, необхідна для забезпечення мінімуму втрат перетворення для РТД2 не була досягнута в зв'язку з обмеженням потужності генератора. Характер експериментальних залежностей втрат перетворення від потужності гетеродина повторює характер теоретичних залежностей (рис. 6). Різниця між теоретичними і експериментальними значеннями втрат перетворення пов'язане з прийнятими спрощують припущеннями теоретичного розрахунку. Також на значення вихідних параметрів експериментального макета змішувача впливає неідеальність характеристик фільтрів, що забезпечують поділ контурів сигналу і ПЧ. В цілому, теоретичні залежності втрат перетворення від потужності гетеродина (рис. 6) узгоджуються з результатами експерименту.
Для порівняння інтермодуляционних спотворень сигналу в змішувачах на базі РТД і ДБШ були виміряні залежності точки перетину третього порядку по входу (IP 3вх) від потужності гетеродина. Раніше було показано, що амплітуди складових спектра вихідного сигналу змішувача на РТД немонотонно залежать від потужності гетеродина, отже, для порівняння IP 3 змішувачів на базі РТД і ДБШ потрібно дослідження залежності IP 3 від потужності гетеродина. На рис. 10 показані експериментальні залежності IP 3вх від потужності гетеродина для СГС на базі РТД і ДБШ.
Мал. 10. Експериментальні залежності значення IP 3вх від потужності гетеродина для РТД1 (1), РТД2 (2) і ДБШ (3).
Значення IP 3вх змішувача на базі ДБШ монотонно зростає зі збільшенням потужності гетеродина, тоді як цей же параметр змішувача на базі РТД має кілька локальних максимумів, що дозволяє змінювати інтермодуляційні параметри шляхом управління потужністю гетеродина в невеликих межах. Застосування РТД дозволяє збільшити значення IP 3 на 10 ... 12 дБ у порівнянні з ДБШ при однаковій потужності гетеродина.
В роботі [7] був проведений розрахунок IP 3 СГС на базі РТД в залежності від величини V пір (аналог параметра ЕВ в даній роботі). При цьому не були досліджені залежності IP 3 від потужності гетеродина для кожної форми ВАХ РТД. Отримані в [7] розраховані значення IP 3 для СГС на РТД на 25 ... 40 дБ гірше, ніж для ДБШ. Це суперечить Отримані нами результати. Протиріччя можна пояснити прийнятим в [7] способом апроксимації ВАХ РТД за допомогою експоненційної залежності. Крім того, потужність гетеродина, при якій розраховані значення IP 3 СГС на РТД (P г = -10 ... -2 дБм), значно менше, ніж при розрахунку IP 3 СГС на ДБШ (Рг = 3 ... 7 дБм).
Вище було показано (рис. 6), що оптимальна з точки зору мінімуму втрат перетворення потужність гетеродина для СГС на РТД може досягати 30 мВт. Це відкриває перспективу для розробки змішувачів на РТД з високим рівнем IP 3 без застосування схем з подвійною і потрійною балансуванням.
Висновки.
1. Застосування РТД в змішувачі радіосигналів дозволяє підвищити такі показники якості: рівень компресії вхідного сигналу і рівень інетрмодуляціонних спотворень. СГС на РТД виграють у СГС на ДБШ за значенням IP 3 при одній і тій же потужності гетеродина в діапазоні 0.5 ... 30 мВт / діод, при цьому значення точки компресії не погіршується, але втрати перетворення збільшуються на 1 ... 2 дБ.
2. Як відомо, для збільшення значення точки компресії потрібно збільшувати потужність гетеродина. Технологічно досяжні параметри гетероструктур дозволяють розробляти РТД, що працюють з потужністю гетеродина 0,5 ... 30 мВт / діод, і змішувачі на їх основі, що працюють при підвищеній потужності гетеродина, без застосування складних схем з подвійною і потрійною балансуванням.
3. Застосування РТД в змішувачі дозволяє змінювати значення IP 3 шляхом управління потужністю гетеродина. Експериментально отримано збільшення значення IP3 змішувача на базі РТД на 15 дБ у порівнянні із змішувачем на ДБШ при збільшенні втрат перетворення на величину не більше 2 дБ.
Література.
1. Розанов Б.А., Розанов С.Б., Приймачі міліметрових хвиль. М .: Радио и связь, 1989, 169 с.
2. Maas SA, Microwave Mixers. Boston, Artech House, 1993, 396 p.
3. Бєлов Л.А. Перетворювачі частоти. Сучасні ВЧ-компоненти. М .: Електроніка: наука, технології, бізнес. 2004, №2, с. 44-50.
4. Георгіївський А.М., Громов Д.В., Дудинов К.В. і ін. Дослідження напрямків застосування резонансно-тунельного діода в інтегральних схемах СВЧ діапазону. Мікроелектроніка - 1996. - Т.25, N4. с. 249-258.
5. Іванов Ю.А., Малишев К.В., Федоркова Н.В. Формування ВАХ AlGaAs нанодіодов // СВЧ техніка і телекомунікаційні технології .: Тез. доп. 14 Міжнар. Кримська конф. - Севастополь, 2004. C.532-534.
6. Алкея Н.В. Розрахунок параметрів субгармоніческіх змішувача на резонансно-тунельний діод. М .: Радіотехніка і електроніка, 2003 т. 48, № 4 с. 508-512.
7. Алкея Н.В. Аналіз шумових і динамічних властивостей субгармоніческіх змішувача на резонансно-тунельний діод. М .: Радіотехніка і електроніка, 2004, том 49, №104, с. 1258-1263.
8. Малишев К.В., Іванов Ю.О., Перунів Ю.М., Федоркова Н.В. Гармоніковий змішувач НВЧ діапазону на РТД. Тези доповіді 8 Міжнар. Кримська конф .: "СВЧ техніка і телекомунікаційні технології". - Севастополь, (Україна), 1998 - Т.2.
9. Румянцев К.Є. Радіоприймальні пристрої. М.: Академія, 2006 - 336 с.
10. MWOffice. Applied Wave Research Inc., http://www.mwoffice.com
11 Малишев. К.В. Розробка технологічного методу підвищення експлуатаційних показників нелінійних перетворювачів спектра радіосигналів шляхом застосування AlGaAs гетероструктур: Дис. ... канд.техн.наук. - М.: МГТУ ім.Н.Е.Баумана, 2004. - 183 с.
12. Напівпровідникові прилади. Надвисокочастотні діоди. Довідник. під ред. Наливайко Б.А. -Томск: МГП «Раско», 1992 - 223 с.
13 - Ред Е.Т. Схемотехніка радіоприймачів. М .: Мир, 1989, 180 с.
