по курсам «Прикладная электродинамика», «Электроника СВЧ»
для студентов специальностей Н.02.02.00-«Радиофизика», Н.02.03.00-«Физическая электроника»
Минск 2002 Составители: А.Г. Будай, к.т.н.
В.И. Демидчик, доцент В.С.Курило, старший преподаватель П.Д.Кухарчик,профессор В.М.Кныш, к.т.н С.В.Малый, доцент А.В.Рудницкий, профессор В.Г.Семенчик, доцент Утверждено советом факультета 24 сентября 2002 г., протокол №
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №
Исследование микрополоскового смесителя СВЧ Цель работы: изучение принципа действия смесителя и методов измерения его параметров.
Теоретические сведения.
Смеситель СВЧ предназначен для формирования электромагнитных колебаний заданной частоты и структуры посредством смещения нелинейным элементом электромагнитных колебаний сверхвысокочастотного диапазона разных частот. Такой процесс получения электромагнитных колебаний называется гетеродированием. Частным видом гитеродирования является смещение несущей частоты модулированного сигнала на более низкую (промежуточную) частоту при сохранении параметров модуляции.
Смесители широко используются в супергетеродинных приемниках для получения промежуточной частоты, в возбудителях и гетеродинах для переноса сетки стабильных частот в более высокий диапазон, ретрансляторах для сдвига частоты передачи относительно частоты приема и т.д.
В простейшем случае смеситель состоит из направленного ответвителя и нелинейного элемента. На выходе смесителя может быть включен полосовой фильтр промежуточной частоты. В смесителях СВЧ, как и в детекторных секциях, в качестве нелинейных элементов используются наиболее широко точечные диоды, диоды с барьером Шотки (ДБШ) и обращенные диоды. Смесители могут быть волноводной, коаксиальной или микрополосковой конструкции. Различают небалансные и балансные смесители.
В небалансных смесителях используется один диод, они значительно проще по конструкции и применяются в схемах с меньшей чувствительностью, когда нет жестких требований к подавлению шумов гетеродина. Балансные смесители содержат два диода, обеспечивающих при соответствующем их включении вычитание шумов гетеродина, а следовательно, и уменьшение общего уровня шумов. Большое разнообразие схем и конструкций смесителей обусловлено, в частности, применением различных способов устранения паразитных колебаний, уменьшения уровня шумов и повышения таким образом показателей качества смесителя.
Простейшая схема небалансного смесителя и спектр основных частот преобразователя СВЧ на таком смесителе представлены на рис. 1.
Входной сигнал частоты С и мощности РС поступает в диодную камеру. Через направленный ответвитель в камеру поступают колебания от генератора СВЧ (гетеродина) с частотой Г и мощности Р Г. В результате смещения на диоде появляются колебания других частот, в их числе колебания промежуточной частоты ПЧ = С Г мощностью Р ПЧ. В качестве селективной нагрузки может использоваться контур, настроенный на нужную частоту.
Спектр основных fr, Pr частот fr а fc, Pс fc fпч f выход ПЧ и подача постоянного смещения Рис. 1. Схема и спектры основных частот однотактного смесителя частоты Основными параметрами смесителя являются потери преобразования Lпр = 10 lg PC PПЧ и шумовые характеристики.
Общая теория и расчет параметров смесителя базируются на представлении его в виде нелинейного шестиполюсника. Ограничимся здесь рассмотрением физических принципов преобразования колебаний СВЧ в смесителе.
Безынерционное нелинейное преобразование колебаний СВЧ в смесителе. Смеситель, как нелинейное устройство, обладает свойством обогощать спектр электромагнитных колебаний. При воздействии колебаний разных частот на его выходе появляются колебания других, комбинированных частот, то есть проявляется эффект смещения частот. Рассмотрим разные варианты таких преобразований частот в смесителе.
Бигармоническое воздействие на нелинейный элемент приложенное к нелинейному элементу смесителя напряжение содержит в этом случае помимо постоянной составляющей два гармонических колебания: с разными амплитудами и частотами Через U Г, Г – обозначены амплитуда и частота колебания от гетеродина, U C, C – от источника сигнала.
Рассмотрим режим работы смесителя с квадратичной ВАХ диоды (малая амплитуда гетеродина) Подставляя (1) в (2), находим ток в цепи диода при бигармоническом воздействии После элементарных преобразований и группирования слагаемых приходим к следующему спектральному представлению тока Видно, что в составе тока присутствуют слагаемые, встречающиеся при воздействии на нелинейный элемент каждого сигнала в отдельности: постоянная составляющая, а также первые и вторые гармоники. Принципиально новым является появление двух гармонических составляющих с частотами Г + С и Г С. Амплитуды этих колебаний a2U Г U С в одинаковой степени зависят от амплитуд входных сигналов и обращаются в ноль, если один из источников на входе отсутствует. Такое смешение частот является следствием и признаком нелинейного взаимодействия колебаний.
Рассмотрим влияние кубического члена вольтамперной характеристики на нелинейное взаимодействие колебаний. Подставив в формулу (5) сигнал (1), получаем Видно, что кубическое слагаемое несколько изменяет уровень амплитуд первых гармоник тока, имеющих частоты Г и C. Кроме того, появляются новые спектральные составляющие с частотами 3 Г, 3 C, Частоты, образуемые при нелинейном взаимодействии нескольких гармонических сигналов с разными частотами, можно записать в форме где n1, n2, …, nm – любые целые числа, положительные и отрицательные, включая нуль. Число называется порядком колебания (частоты). Комбинационные частоты принято группировать. Объединяя частоты одного порядка. Максимальный порядок равен степени полинома в ВАХ диода. В рассмотренном примере бигармонического воздействия на нелинейный элемент с кубической характеристикой наблюдаются следующие комбинационные частоты Можно заметить, что частоты четных и нечетных порядков связаны с четными и нечетными соответственно степенями характеристики нелинейного элемента смесителя.
Преобразование частоты модулированного сигнала.
Преобразование частоты сигнала в радиотехнике называется сдвиг спектра сигнала по шкале частот на определенное постоянное значение при сохранении структуры сигнала.
Объяснение сути процесса связано с использованием и обобщением изложенных выше результатов бигармонического воздействия на нелинейный элемент. Полагается, что на нелинейный элемент также воздействуют напряжения от гетеродина и от источника сигнала. Причем напряжение, создаваемое гетеродином, по прежнему является гармоническим, а второе напряжение создается сложным подлежащим преобразованию узкополосным сигналом При аппроксимации характеристики нелинейного элемента полиномом четвертой степени для тока в цепи элемента получается выражение Задачей преобразования является получение суммарной или разностной частоты С ± Г. Слагаемые, содержащие различные степени только U C или только U Г, не участвуют в образовании таких частот. Опуская их их в (11), после несложных тригонометрических преобразований приходим к следующему результату для тока разностной частоты Колебания интересующих нас частот формируются благодаря четным степеням полинома, аппроксимирующего характеристику нелинейного элемента. Однако только квадратичный член полинома образует составляющие, амплитуда которых пропорциональна первой степени U C (t ).
Более высокие степени нарушают эту пропорциональность. Амплитуды формируемых ими колебаний содержат степени U C (t ) выше второй. Необходимо в максимальной степени уменьшить интенсивность таких колебаний. Это можно сделать подбором амплитуд U C и U Г. Если они удовлетворяют неравенству
[ 
«