Анализ методов исследования, схем и конструкций СВЧ-преобразователей частоты

Вопросы теоретического анализа стробпреобразователей, особенности расчета и проектирования их в диапазоне частот до 18 - 20 ГГц достаточно полно отражены в литературе применительно к осциллографии, которая, в первую очередь, стимулировала развитие стробоскопического метода преобразования частоты [14, 28, 33].

Большой вклад в теорию и практическое построение стробпреобразователей СВЧ внесли: Ю.А. Рябинин [14, 32], А.И. Найдёнов [28], В.И. Старосельский [27, 34, 35], Э. X. Херманис [33], J. Merkelo [36, 37], М. Sayed [15], V. Grove [38] и другие.

Простейшая схема стробоскопического смесителя (стробсмесителя), иллюстрирующая принцип его работы, изображена на рисунке 1.2.1 и представляет собой накопитель электромагнитной энергии - конденсатор С, подключенный к широкополосному согласованному СВЧ-тракту через безынерционный ключ (полупроводниковый диод), управляемый последовательностью стробирующих импульсов. Выходное напряжение снимается с накопительного конденсатора через УПЧ.

Стробоскопические смесители характеризуются теми же параметрами, что и гармонические и гармониковые смесители: диапазоном частот каналов, потерями преобразования, коэффициентом шума, развязкой каналов, динамическим диапазоном, КСВН входов, интермодуляционными искажениями и т.д.

Поскольку спецификой стробсмесителей является их широкополосность, то диапазон частот по СВЧ-входу и потери преобразования являются наиболее приоритетными характеристиками.Потери преобразования определяются какгде: Рвх - мощность СВЧ-сигнала, поступающая в стробсмеситель, Рвых - мощностьсигнала промежуточной частоты в нагрузке стробсмесителя. В теоретических расчетах часто используется коэффициент преобразования (по мощности), являющийся обратной величиной:

Из теории стробоскопического преобразования частоты [14, 28] известно, что широкополосность устройства определяется:- длительностью, величиной и формой стробимпульсов;- быстродействием смесительных диодов;- крутизной и формой их вольт-амперной характеристики;- уровнем внутренних шумов;- паразитными реактивными параметрами электрической схемы (емкостью и индуктивностью диодов, индуктивностью соединений проводников, топологическими особенностями схемы).

Для теоретического анализа процессов в стробпреобразователях и расчета их характеристик используют методы общей теории преобразователей частоты [39, 40] (частотные методы), впоследствии развитые в применении к стробпреобразова-телям в работах [28, 41-44]; и методы, основанные на импульсно-временном представлении механизма преобразования в стробсмесителе [14, 27, 32, 34, 45, 46]. Последние базируются на рассмотрении устройства в виде управляемой нелинейно-параметрической системы, представленной двухконтурной моделью, содержащей: контур управления (источник управляющего сигнала, НЭ и элемент связи) и контур сигналов (источник исследуемых сигналов, параметрический элемент, элемент памяти, элементы соединений), и наиболее полно разработаны в [14, 32] в применении к осциллографии. Показано, что данное устройство для исследуемых сигналов описывается системой линейных дифференциальных уравнений, а влияние управляющего воздействия описывается нелинейным дифференциальным уравнением. В результате решения систем уравнений получена переходная характеристика преобразователя, позволяющая анализировать быстродействие (широкополос-ность) систем различного порядка сложности с учетом инерционных свойств диодов, различных видов аппроксимаций их ВАХ и параметров схемы.

При кусочно-линейной аппроксимации ВАХ диода полоса стробсмесителя по уровню коэффициента преобразования 3 дБ (0,707 по напряжению) определяется соотношением (1.2.1), независимо от формы стробимпульсов [14].где и - длительность импульса на уровне открывания диодов.

В [14] приведены зависимости расчетной полосы стробсмесителя от длительности стробимпульса при различных аппроксимациях ВАХ диода и формах стробимпульсов, проанализировано влияние внутренних шумов на возможность достижения предельного быстродействия.

Доказана целесообразность выбора соответствующих схем входных устройств различной РЭА: симметричных двухдиодных стробпреобразователей - для широкополосных СВЧ-преобразователей и четырехдиодных мостовых - для универсального применения в нижней части СВЧ-диапазона (до 1 -2 ГГц).

Однако, результаты исследований и расчетов [14, 27, 32, 34, 45, 46], ориентированные на применение стробпреобразователей в осциллографии, вольтметрии и устройствах выборки и хранения (УВХ), получены в предположении, что напряжение на накопительном конденсаторе практически не меняется за время между соседними стробимпульсами:

При этом потери преобразования минимальны и не зависят от частоты гетеродина. В простейшем случае [14] при полигональной аппроксимации ВАХ диода:где R - некоторое эквивалентное сопротивление разряда конденсатора и /„ RC.

Для многих применений условие (1.2.2) не выполняется, накопительный конденсатор успевает частично (или полностью) разрядиться за время t = Тг, и наблюдается существенная зависимость потерь преобразования от частоты гетеродина /Г=1/Гг.

В [47] моделируя работу простейшей схемы стробсмесителя двумя процессами: заряда накопительного конденсатора в момент действия стробимпульса и разрядом его через сопротивление нагрузки 7?пч при закрытом диоде по окончании действия стробимпульса, получено выражение для коэффициента преобразования по мощности при условиях Тр = CRm ТГ и tH т3 = CR3ap:где ЯЛ- эквивалентное сопротивление генератора сигнала (25 Ом); Rs- омические потери в диоде.Формула (1.2.4), не смотря на то, что получена без учета многих факторов, имеющих место в реальных схемах смесителей, тем не-менее, указывает на основные закономерности процесса стробоскопического преобразования:- коэффициент преобразования КР растет с увеличением длительности стро бимпульсов и с уменьшением периода следования стробимпульсов (увеличивается энергия, отбираемая накопительным конденсатором и выделяемая в нагрузке ПЧ);