Смесительные и детекторные диоды СВЧ

ДИОДЫСВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ (СВЧ)

По принципу действия полупроводниковые СВЧ диоды можно разделить на 2 группы: точечные и плоскостные.

Точечные – исторически первые СВЧ диоды (используются для детектирования и преобразования частоты).

Плоскостные (чаще диоды с барьером Шотки - ДБШ) – диод со структурой металл-полупроводник, в которой металл нанесен методом напыления. Они высокотехнологичны, с хорошей повторяемостью параметров и с ВАХ близкой к идеальной.

Условно все диоды по принципу фукнкционирования можно представить следующей схемой

 

 

Рис.2.35

 

В современной аппаратуре СВЧ диоды выполняют самые различные функции (реализованы и пленочные варианты для ГИС):

1. смешение (преобразование) частот (А101-199);

2. детектирование; (А201-299);

3. модуляторные (А301-399);

4. усиление сигналов (параметрические А401-499);

5. переключение высокочастотных трактов и управление (А501-599);

6. умножение и деление частоты (А601-699);

7. генерирование колебаний (А701-799) и т.д.

Первым элементом маркировки является материал, используемый для его изготовления (Г или 1, К или 2, А или 3 и т.д., как и в обычной классификации). Второй – буква русского алфавита А – СВЧ диоды, В – варикапы, И – ТД и ОД, Б – приборы на объемных эффектах и т.п. Третий элемент - основное назначение 1 – смесительные, 2 – детекторные и т.д. Четвертый элемент – номер разработки.

Понятно, что такое многообразие функций обеспечивается и соответствующей номенклатурой, хотя классификация диодов по области их применения на СВЧ не всегда оправдана. Один и тот же диод может использоваться в различных устройствах, например, в аттенюаторах или фазовращателях, в умножителях, делителях, преобразователях и параметрических усилителях, а такой диод как туннельный (ТД) кроме указанных выше функций способен, кроме того, еще и генерировать СВЧ колебания.

Логичнее иногда различать СВЧ диоды по их принципу действия, по типу диодной структуры, по конструктивному оформлению и т.д.

 

Смесительные и детекторные диоды СВЧ

Нелинейное сопротивление в таких диодах создается преимущественно с помощью контакта металл-полупроводник (ДБШ) в виде мезапланарной структуры, либо точечно-контактных р-п- переходов. Используются также туннельные и обращенные диоды (ТД и ОД), представляющие р-п- переходы вырожденных полупроводников.

Смесительные диоды применяются главным образом в узкополосных приемниках супергетеродинного типа (этот принцип приема повышает чувствительность приемников на 30-40 дБ) для преобразования частоты (выделения промежуточной), которая обычно составляет десятки МГц и получается как разность частот гетеродина (местного генератора) и сигала f_пч = (f_г – f_с).

Преобразование частоты обусловлено нелинейностью ВАХ диода, которая для диода с барьером Шотки (применяемы еще в качестве детекторов, смесителей, умножителей частоты, вытесняя точечные) и контактов металл-полупроводник имеет вид

где n – коэффициент неидеальности р-п- перехода (для ДБШ n = 1,03 - 1,05), n = 1,15…2,0 для точечно-контактных диодов.

Эквивалентная схема СВЧ диода приведена на рис.2.36 и содержит как параметры корпуса или объема полупроводника с контактными выводами, так и нелинейные составляющие – собственно полезные параметры, реализующие эффект преобразования.

Поскольку смесительные диоды работают при значительной мощности гетеродина то их эквивалентные схемы удобно представить в виде двух схем для прямого и обратного полупериодов т.е. рис.2.37

 

 

Рис.2.36 Рис.2.37

 

Тогда, предельная частота, определяемая как частота на которой отношение обратного и прямого сопротивлений уменьшается до (2)^0,5, равна

Z_пр = r_g; Z_обр = [r_g + (w²C_п²)^-1]^0,5,

 

Z_обр /Z_пр = [r_g + (w²C_п²)^-1]^0,5/r_g =(2)^0,5,

откуда

f_пред = 1/2pr_g C_п .

Паразитные параметры схемы диода L, С_к компенсируют введением органов настройки диодных камер. В этом случае эффективность работы диода в зависимости от частоты сигнала можно оценить, исходя из учета емкости С и сопротивлений r_б и r_п.

Полное сопротивление диода записывается в виде

,

где - круговая частота.

Мощность сигнала, рассеиваемая на сопротивлении диода с учетом принятых на рис.2.36 обозначений

,

где Re(1/Z) - активная составляющая проводимости диода на частоте сигнала

.

Напряжение U_бв, подводимое непосредственно к нелинейной проводимости контакта, составляет некоторую величину от общего напряжения U_аб, а именно

.

Отношение U²_бв/U²_аб можно назвать коэффициентом использования мощности подводимого сигнала h², который будет максимален при минимальной частоте сигнала, либо пренебрежимо малой емкости

.

С целью повышения коэффициента использования подводимого сигнала разрабатывают диоды, корпуса которых, совместно с унифицированными диодными камерами, составляют согласующие трансформаторы. При этом различают следующие конструктивные оформления диодов рис.2.37: а - патронный; б - коаксиальный; в - волноводный; г - бескорпусные в стеклянном корпусе; д – полосковые; е – типа таблетки и ж - типа «кроватка» и др.

 

а б в, г д,е

Рис.2.37

 

Следует отметить, что в ДБШ величина нелинейной барьерной емкости практически равна нулю, т.к. в них отсутствует инжекция неосновных носителей, а нелинейность ВАХ сохраняется до частот см и мм диапазона.

 

Детекторные диоды. Принцип работы и основные требования к их параметрам аналогичны смесительным диодам.

Детекторы применяются в широкополосных приемниках прямого усиления для детектирования СВЧ сигнала (выделение огибающей сигнала), а также в измерительной технике в качестве индикаторов СВЧ колебаний. Работают, из-за малого уровня сигнала в режиме квадратичного детектирования. (Это несложно доказать. Если условиться, что на входе детектора действует сигнал вида ), то подставляя его в выражение для ВАХ и разлагая полученное соотношение вряд, получим

,

где b = q/(nkT), I₁ = I₀ + I_s. Откуда следует, что активное сопротивление перехода r_n = 1/(bI₁) = nkT/[e(I₀ + I₁)], а выпрямленный ток, обусловленный входной мощностью, пропорционален квадрату СВЧ напряжения U_m на переходе

,

где - СВЧ мощность, поглощенная в переходе.

Детекторный диод работает при малых уровнях СВЧ сигнала и элементами эквивалентной схемы (рис.2.36) пренебречь нельзя. Предельной частотой считают частоту при которой на сопротивлении растекания (сопротивление базы) рассеивается 0,5 падающей на диод мощности

Z_вх = r_g +(1/r_п + jwC_п)^-1 = r_g + r_п/(1+jwC_пr_п) =

 

= r_g + r_п/(1+ w²C_п²r²_п) - jwC_пr_п²/(1+w²C_п²r_п²),

 

откуда

f_пред = (2pr_пC_п )^-1(R_п/r_g -1)^0,5,

 

т.к. в детекторах должно выполняться условие r_п >> r_g, то

 

f_пред » [2pC_п (r_п r_g)^0,5]^-1.

 

Конструктивно детекторные диоды оформляются аналогично смесительным, а их параметрами являются:

- КСВ - коэффициент стоячей волны (измеряется с помощью измерительной лини при мощности не более 10 мкВт, чтобы соблюдался режим малого сигнала); s =½U_макс/U_мин½.

- шумовое отношение t = Р_{ш ном}/Р_вых - определяется как отношение номинальной (т.е. отдаваемой в согласованную нагрузку) мощности шума (Р_{ш ном}) в интервале частот на выходе диода в рабочем режиме к номинальной мощности теплового шума kТ₀ активного сопротивления, находящегося при комнатной температуре Т₀ (Т₀ = 290⁰К), т.е. t = Р_{ш ном}/kТ₀ . В определение не входит сопротивление диода, но его необходимо знать для оценки Р_{ш ном}. Данное определение, общее по форме, имеет различное содержание для детекторных и смесительных диодов. В то время как уровень шума детекторного диода определяется величиной постоянного смещения (статический режим), уровень шума смесительных – представляет собой усредненное значение за период колебания гетеродина (динамический режим). Интервал частот , входящий в формулу, соответствует полосе пропускания приемного устройства. Для детекторного диода шумовое отношение обычно относят к полосе частот 50 кГц - 1,5МГц (что соответствует спектру видеоимпульса), в то время как для смесительных диодов относят к промежуточной частоте f_пч=10 - 50 МГц, при менее 10 МГц.

Остальные параметры специфические, для детекторных диодов:

- чувствительность по току i₀ к подводимой СВЧ мощности _СВЧ=i₀/Р_СВЧ, а сопротивление цепи выпрямленного тока не должно превышать (3-5)% от наименьшего номинального значения сопротивления диода в рабочей точке (для обеспечения режима короткого замыкания);

- сопротивление в рабочей точке R_вых измеряется без подачи СВЧ мощности (на диод подают около 5 мВ от звукового генератора через сопротивление, много большее сопротивления диода, а измеряемое падение напряжения на нем пропорционально его сопротивлению в рабочей точке) ламповым вольтметром проградуированным в единицах R_вых;

- добротность – М вычисляется по формуле

,

где R_A - шумовое сопротивление реального усилителя (в пределах 1,0-1,2 КОм для БТ схем и более 1 МОм для ПТ).

Специфические параметры для смесительных диодов:

- выходное сопротивление – аналогично случаю детекторных диодов, но с подведением мощности гетеродина СВЧ, в соответствующей рабочей точке,

- выпрямленный ток – необходим для оценки уровня мощности СВЧ гетеродина, определяется как возникающий при этом ток в цепи смещения при сопротивлении 50-100 Ом,

- потери преобразования – L вычисляются как

L = 10 lgm²P_вхR_н/U², дБ или L = 10 lg(P_вх/P_пч), дБ,

где Р_вх – средняя мощность СВЧ колебаний; R_н – сопротивление нагрузки в цепи ПЧ, равное среднему R_вых диода данного типа; U – действующее напряжение ПЧ (либо частоты модуляции при измерении модуляционным способом); m – глубина модуляции;

- нормированный коэффициент шума F – определяется расчетным путем

F = kT₀ t /(kT L^-1_CВЧ) = t L_СВЧ.

Все перечисленные параметры диодов этого типа существенно зависят как от выбора рабочей точки, температуры, так и от уровня входного сигнала. В качестве примера на рис.2.38 приведены зависимости параметров R_вых, _СВЧ, М, t от тока положительного смещения детекторных диодов, от температуры и параметров F, L, I, t от мощности гетеродина смесительных диодов.

На рис.2.38,б приведен пример диода Шотки с балочными выводами, выполненными для снижения величины паразитной индуктивности.