Расчет усилителя радиочастоты

В приемниках РЛС сантиметрового диапазона волн наибольшее распространение получили однокаскадные неохлаждаемые двухконтурные параметрические усилители (ДПУ) на точечно-контактных полупроводниковых диодах (ТКД) или диодах с барьером Шоттки (ДБШ). В настоящее время на частотах до 30 ... 40 ГГц эти усилители выполняют на базе полосковых (ПЛ) и микрополосковых (МПЛ) линий. ДПУ содержат три контура, настроенные соответственно на частоту сигнала fс, частоту накачки fн и холостую частоту fх и развязанные между собой. Развязку между входом и выходом ДПУ осуществляют с помощью ферритового циркулятора.

Эквивалентная схема параметрического диода включает в себя последовательно соединенные индуктивность выводов Lв = 0.2 - 2 нГ, переменную емкость полупроводниковой структуры Сп = 0.3 … 1 пФ, сопротивление активных потерь rпт и параллельно подключенную к этой цепи конструктивную емкость диода Сд = 0.1 … 0.4 пФ. Диод характеризуется максимальной переменной емкостью при нулевом напряжении смещения Uсм = Сп(0), постоянной времени (U) = rпт Сп(0) при определенном напряжении смещения U, максимально допустимым обратным напряжением Uнобр контактной разностью потенциалов (к = 0.2 … 0.3 В для ТКД и к = 1 … 1.2 В для ДБШ). В состав СВЧУ может входить типовой ДПУ с параллельным включением параметрического диода. Схема такого усилителя показана на рисунке.

Рисунок 3.Схема усилителя радиочастоты

Параллельно с диодом включают отрезок длиной lн / 4, препятствующий потерям мощности накачки в цепях сигнала. Сигнал накачки подводится к диоду через запредельный для входного сигнала и сигнала холостой частоты волновод. Полосу пропускания ППФ выбирают такой, чтобы эти сигналы были ослаблены не менее чем на 20 … 30 дБ.

При этом требуемый коэффициент шума N, коэффициент передачи мощности Kp, частота сигнала fс, требуемая ширина полосы пропускания Птр по уровню 3 дБ, характеристики подложки (относительная диэлектрическая проницаемость r, толщина h, тангенс угла потерь tg (, волновое сопротивление подводящей линии Z0, тип циркулятора и его прямые потери Lп, число циркуляций до входа ДПУ а и число циркуляций в ДПУ b известны.

f₀=8,6·10⁹Гц Рабочая частота.

f_пр=50·10⁶Гц Промежуточная частота.

W₀=50 Ом Волновое сопротивление подводящих линий.

L_{п_дБ}=0,4дБ Потери пропускания в циркуляторе.

a=2 Число циркуляций до входа ДПУ.

b=2 Число циркуляций в ДПУ.

Nтр=1,5дБ Требуемый коэффициент шума.

Kпу=15дБ Резонансный коэффициент усиления, включая потери в циркуляторе.

Птр=80·10⁶ Требуемая полоса пропускания по уровню 3 дБ.

ε=9,8 Относительная диэлектрическая проницаемость.

Требуется выбрать параметрический диод и определить напряжение постоянного смещения Uсм, реальные коэффициент шума Nн и ширину полосы пропускания П0, значения холостой частоты fх и частоты накачки fн, сопротивление источника сигнала, приведенное к зажимам параметрического диода Rс, мощность генератора накачки Рн, геометрические размеры МПЛ.

Для обеспечения стабильности параметров ДПУ при изменениях импеданса цепей источника сигнала (например, антенны) и нагрузки (например, смесителя) в качестве ферритового циркулятора применим пятиплечный циркулятор, построенный на основе трех Y-циркуляторов. В таком циркуляторе потери сигнала до входа ДПУ равны

Lп_с_дБ=2· Lп_дБ=0,8дБ

На столько же ослабляется усиленный сигнал, проходящий из ДПУ к выходу циркулятора.

Следовательно, собственно ДПУ без циркулятора (точнее, с идеальным циркулятором) с учетом заданных параметров должен иметь коэффициент шума

Nпу_дБ= Nтр- Lп_с_дБ=0,7дБ

Kр_пу_дБ= Kпу+2·Lп_с_дБ=16,6дБ Резонансный коэффициент усиления ДПУ

Kр_пу=45,709

Учитывая частотный диапазон, постоянную времени, индуктивность выводов, допустимое напряжение, стоимость выбираем параметрический диод с ТКД структурой3А410Е. Его параметры:

Lв=0,2·10^-9Гн Индуктивность выводов.

Сд=0,29·10^-12Ф Конструктивная емкость диода.

Сп0=0,5·10^-12Ф Максимальная переменная емкость диода при нулевом напряжении смещения.

τ=0,3·10^-12 Постоянная времени диода.

Uсм=2В Напряжение, при котором измерена постоянная времени.

Uн_обр=5В Максимально допустимое обратное напряжение.

n=2 Коэффициент типа перехода (для ДБШ n = 2).

k = (0.2...0.3)

Рассчитываем необходимое напряжение смещения для диода структуры ТКД (для ДБШ расчет производят по формуле:

U0=3·Uн_обр/8+k/k-1 .

U0=Uн_обр/2=2,5В

Находим емкость, соответствующую рассчитанному напряжению смещения:

Ф

Постоянная времени при рабочем смещении:

с

Коэффициент модуляции и критическая частота диода (для ДБШ эти параметры вычисляют по формулам:

=0,278

=7,94·10¹⁰Гц

Поправочный коэффициент kc, учитывающий потери в конструкции ДПУ, принимаем равным: kc=2

Эквивалентная постоянная времени диода с учетом потерь в элементах конструкции ДПУ.

τэк=kc· τ_U0=5,568·10^-13c

r_п= τэк/C_{п_U0}=2,014 Эквивалентное сопротивление потерь.

Q=f_кр­/(kc·f₀)=4,235 Динамическая добротность диода.

Вычисляем оптимальное отношение частот Aопт и соответствующий минимальный коэффициент шума, при этом полагаем, что физическая температура диода равна нормальной температуре окружающей среды, т. е. Тд = 290 К.

Рассчитанное значение Nпу_мин удовлетворяет требуемому Nпу = 2.2 дБ.

Определим значение холостой частоты fx. Чтобы получить максимально возможную полосу пропускания ДПУ, не применяя специальных элементов для ее расширения, и упростить топологическую схему ДПУ, в качестве холостого контура используем последовательный контур, образованный емкостью Сп_U0 и индуктивностью выводов Lв диода. Цепь тока холостой частоты замкнем разомкнутым четвертьволновым шлейфом, подключаемым параллельно диоду и имеющим входное сопротивление, близкое к нулю. В этом случае на холостой контур не влияют цепи сигнала и накачки, а также емкость корпуса диода Сд. Резонансная частота этого контура равна частоте последовательного резонанса диода:

А=f_x/f­₀=2,283 Отношение частот

f_H=f­₀·(1+A)=3,078·10¹⁰Гц Частота накачки.

Nпу=1+(1-1/Кр_пу)·2/A=1,857 Уточненное значение коэффициента шума.

Nпу_дБ=2,688дБ

Расчет коэффициента шума ДПУ с полученным значением А дает близкую величину, что и при оптимальном отношении частот Aопт. Этот результат обусловлен тем, что значения А и Aопт близки, а кривая зависимости Nпy {А} имеет тупой минимум.

Расчет смесителя

В современных радиоприемных устройствах СВЧ в большинстве случаев применяют двухдиодные балансные смесители (БС). Основным их достоинством является способность подавлять шум амплитудной модуляции колебаний гетеродина, что весьма важно для получения низкого коэффициента шума. Наряду с этим БС обладает и другими преимуществами перед однодиодным небалансным смесителем. В частности, БС работает при меньшей мощности гетеродина, имеет повышенную помехоустойчивость к сигналам помех определенных частот и позволяет уменьшить мощность гетеродина, просачивающуюся в антенну.

Схема БС включает две смесительные секции и СВЧ мост (квадратный, кольцевой и др.). К двум плечам моста подключают смесительные секции, а к двум другим подводят соответственно напряжения сигнала Uс и гетеродина Uг.

Работа балансного смесителя основана на равном распределении мощностей сигнала и гетеродина между двумя диодами, но с определенными относительными фазовыми сдвигами, что обеспечивается с помощью СВЧ моста. В результате оказывается, что на выходе смесителя, на промежуточной частоте, преобразованные диодами сигналы имеют одинаковые фазы и поэтому суммируются, а шум гетеродина подавляется, так как он на выходе диодов оказывается противофазным.

Рисунок 4. Схема балансного смесителя.