Тракты промежуточной частоты приемников СВЧ диапазона

Тракт промежуточной частоты приемников СВЧ диапазона строятся в большинстве случаев по схеме с распределенными усилением и избирательностью. В тракте промежуточной частотытребуется обеспечить ши­рокую полосу пропускания и достаточно большое усиление, так как усиление по высокой частоте обычно невелико, если первым нелинейным каскадом приемника является диодный пре­образователь частоты (коэффициент передачи диодного преобразо­вателя меньше единицы).

Смеситель СВЧ яв­ляется составной частью преобразователя частоты. В приемниках дециметровых волн можно применять преобразователи с транзисторными и диод­ными смесите­лями. Приемники сантиметровых и миллиметровых волн имеют преобразователи, с диодными смесителями. Рассмотрим конструктивные особен­ности этих смесителей.

В смесителе принимаемый сигнал преобразуется в сигнал промежуточной частоты, при этом диод используется в качестве нелинейного активного сопротивления. Диод при этом помещают в смесительную секцию (коаксиально-волноводную, полосковую или микрополосковую), к которой подводят сигнал и сигнал гетеро­дина, и соединяют его с входной цепью усилителя промежуточной частоты, служащей нагрузкой диода по промежуточной частоте.

Основными требованиями, предъявляемыми к смесите­лям СВЧ, являются:

- минимальный коэффициент шума;

- широкополосность;

- минимальная мощность гетеродина (что позволяет использо­вать маломощные гетеродины);

- максимальная устойчивость к перегрузкам СВЧ мощностью (что облегчает защиту смесителя).

В современных приемниках СВЧ диапазона 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 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.

Балансный смеситель содержит обычно два однотактных смесителя. Включение их, подача напряжений сигнала и гетеродина, подсоединение нагрузки могут осуществляться различными способами:

- однополярное включение диодов, противофазная подача сиг­нала на диоды и синфазная подача гетеродинного напряжения, двухтактное включение нагрузки;

- однополярное включение диодов, синфазная подача сигнала на диоды и противофазная подача гетеродинного напряжения, двухтактное включение нагрузки;

- разнополярное включение диодов, синфазная подача гетеро­динного напряжения, однотактное включение нагрузки;

- разнополярное включение диодов, подача сигнала на диоды с фазовым сдвигом , подача колебаний гетеродина на диоды с фазовым сдвигом ,однотактное включение нагрузки.

Возможны и другие варианты схем балансных смесителей. Практически более удобно однотактное включение нагрузки (фильтра ПЧ), так как изготовление и настройка точно сбалансиро­ванной двухтактной цепи промежуточной частоты вызывают определенные трудности. Для этого требуются разнополярные включения диодов.

Необходимые фазовые соотношения колебаний сигнала и гете­родина на диодах могут быть получены любыми способами. Они обычно осуществляются за счет пространственной разности ходов СВЧ колебаний или сдвигов фаз в местах соедине­ний СВЧ линии передачи. При анализе любой схемы БС следует учитывать, что подавление шумов гетеродина осуществляется на промежуточной частоте за счет создания необходимых фазовых сдвигов токов, соз­даваемых диодами VD1 и VD2 при соответствующем включении нагрузки (рисунок 5). Фаза тока определяется соотношением фаз сигнального и гетеродинного напряжений на диодах. Любые изменения фазы на­пряжения или переходят в изменения фазы тока промежуточной частоты.

На рисунке 5 приведен пример топологической схемы балансно­го преобразователя, выполненного на основе микрополосковых линий. Цепи преобразователя выполняются методами печатного монтажа на поверхности диэлектрической пластинки; в углублениях на ее поверхности помещены диоды VD1 и VD2. Поверх пластинки накладывается вторая диэлектрическая пластинка. Противополож­ные поверхности пластинок покрыты металлической пленкой.

Колебания сигнала и гетеродина подводятся к кольцу, средняя длина окружности которого равна полутора длинам волны сигна­ла и гетеродина (обоих, так как частоты их не сильно отличаются друг от друга - на значение f_пч). Сигнал подается в точке через коаксиальное соединение. Точка расположена симметрично по отношению к диодам, поэтому колебания от источника сигнала действуют на диоды VD1 и VD2 с одинаковой фазой.

Рисунок 5. Топологическая схема балансного смесителя СВЧ

Колебания от гетеродина подаются через коаксиальный разъем в точке Г. Расстояние по кольцу от точки ввода колебаний до отво­да к диоду VD1 на /2 больше расстояния до отвода к диоду VD2, благодаря этому колебания действуют на диоды с противополож­ными фазами.

Преобразованный сигнал снимается в точке П через коаксиаль­ное соединение и поступает в усилитель промежуточной частоты. Полоски Ф1, Ф2, ФЗ и Ф4 имеют длину λ/4. Разомкнутый отрезок линии такой длины действует как последовательный колебательный контур, настроенный на частоту сигнала и гетеродина, благодаря чему токи с частотами и на выходах диодов VD1 и VD2 замыкаются и не проходят на выход преобразователя.

В зависимости от диапазона рабочих частот, назначения приемника, его функциональной схемы и конструктивно-технологического использования применяют гетеродины на транзисторах, интегральных микросхемах, диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах, ЛБВ, ЛОВ, клистронах, оптических кван­товых генераторах.

При этом следует отметить, что в качестве гетеродинов могут использоваться:

- транзисторные однокаскадные гетеродины с кварцевой стаби­лизацией на частотах не выше 300 МГц, без кварцевой стабилиза­ции - на частотах не выше 1000 МГц;

- транзисторные многокаскадные гетеродины с умножением частоты и кварцевой стабилизацией - на частотах до 10 ГГц;

- гетеродины с туннельными диодами - на частотах от 0,5 до 100 ГГц;

- гетеродины на отражательных клистронах - на частотах от 3 до 50 ГГц.

Рассмотренные выше источники гетеродинного напряжения часто обладают низкой стабильностью частоты, что приводит к не­обходимости расширять полосу пропускания приемника и, следо­вательно, ухудшать его чувствительность.

В качестве резонансных систем в автогенераторах используют контуры с сосредоточенными элементами, кварцевые резонаторы, резонаторы на отрезках различных линий передачи СВЧ (коаксиальные, микрополосковые, щелевые), объемные и открытые резонаторы. Для повышения стабильности колебаний, формируемых гетеродином, применяются те же меры, что и в КВ диапазоне.

Плавная перестройка частоты гетеродинов осуществляется пе­ременными конденсаторами, варикапами (варакторами), напряже­нием питания, изменяющимся в небольших пределах (клистроны, Диоды Ганна), магнитным полем, путем изменения тока в катушках.

В настоящее время для повышения стабильности колебаний ис­пользуют различные типы интегральных кварцевых генераторов. Генерация в таких гетеродинах возможна до частот 1 ...2 ГГц.

В коротковолновой части миллиметрового диапазона стабиль­ность гетеродинов недостаточна из-за низкой добротности объем­ных резонаторов. Выход из положения найден с помощью откры­тых резонаторов, добротность которых может достигать 1000000...300000. В настоящее время такие гетеродины работо­способны в диапазоне частот 150...200 ГГц.

Контрольные вопросы:

1. Характеристика элементной базы приемников СВЧ диапазона.

2. Особенности структурных схем тракта сигнальной частоты радиоприемников СВЧ диапазона.

3. Устройство приемников СВЧ диапазона.

4. Смесители приемников СВЧ диапазона.

5. Гетеродины приемников СВЧ диапазона.

6. Назначение тракта промежуточной частоты.

7. Состав тракта промежуточной частоты.

8. Функции элементов тракта промежуточной частоты.