Коваленко Ю. В. Дослідження змішувача сигналів на нелінійній ємності напівпровідникового переходу. Збірка студентських наукових праць факультету "Комп'ютерні інформаційні технології і автоматика" Донецького національного технічного університету, випуск 2. - Донецьк: ДонНТУ, 2004.

---

ДОСЛІДЖЕННЯ ЗМІШУВАЧА СИГНАЛІВ НА НЕЛІНІЙНІЙ ЄМНОСТІ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ПЕРЕХОДУ

 

Коваленко Ю.В., група ТКС-99а

Керівник д.т.н. Воронцов О.Г.

 

У системах телекомунікацій, що використовують НВЧ радіохвилі, існує проблема отримання досить великої потужності передавача, при якій забезпечується необхідний енергетичний потенціал радіосистеми. Особливо актуальною ця проблема є для систем мобільного зв’язку, де вимоги до енергетичної ефективності та коефіцієнта корисної дії (ККД) передавального тракту є особливо жорсткими. Це визначає досить напружені вимоги не тільки до лінійки підсилювачів передавача,  але й до змішувачів, що стоять на вході цієї лінійки підсилювачів.

Потенційно, високий ККД може бути досягнений у перетворю­вачах, що працюють на основі нелінійних ємностей, бо в них змішування від­бувається на реактивному опорі, а ефект випрямлення перемінного струму є відсутнім. У якості реактивного опору найчастіше вико­ристовують нелінійну ємність p-n переходу варакторного напівпровідникового діода. Метою роботи є дослідження питання підвищення ККД змішувача на нелінійній ємності варакторного діода.

На рисунку 1 представлена принципова схема змішувача сигналів для діапазону 2,4…2,483 ГГц на елементах з зосередженими параметрами. Перетворювач частоти містить варакторний діод, кола узгодження, та кола, що задають режим роботи діода. Ця схема була промодельована за допомогою спеціалізованого інженерного НВЧ пакету. Параметри моделі діода (ємність при  - CJ0 = 3 пФ, контактна різниця потенціалів VJ = 0,5 В, ступінь нелінійності ємності закритого p-n переходу =0,4, пробивна напруга BV = 30 В) відповідають діоду  2А605А [1]. Потужність сигналу на вході змішувача та сигналу гетеродина становить 15 дБм (32 мВт).

На рисунку 2 приведено спектр сигналу на виході змішувача. Рівень потрібної компоненти становить 9,42 дБм (8,8 мВт), ККД відносно потужності вхідного сигналу становить .

Результати моделювання показали, що у даній системі можливо параметричне підсилення коливань.

Параметричне підсилення коливань може виникнути в системах, які містять у собі декілька контурів, що настроєні на різні частоти і підключені до нелінійного реактивного елементу [2]. Коливання у контурах відбуваються на різних частотах і мають різні потужності. Зв’язок між частотами коливань, що виникають у системі, і величинами потужностей, що віддаються у нелінійну реактивність або одержуються від неї, встановлюють частотно-енергетичні співвідношення Менлі і Роу. При деяких спрощеннях співвідношення між потужностями на відповідних частотах виявляються залежними лише від співвідношення частот і не залежними від таких факторів, як абсолютні значення рівнів сигналів, вид нелінійної характеристики та ін.

Оскільки контур, що настроений на частоту комбінаційної компоненти, не підключений до інших джерел енергії, коливання у ньому можуть виникнути тільки за рахунок джерела сигналу і гетеродина. Отже у нелінійному реактивному елементі відбувається перетворення енергії коливань одних частот в енергію інших. Очевидно, потужність на комбінаційних частотах може бути тільки негативною.

Співвідношення Менлі і Роу мають вигляд [2]:

,                                                      (1)

,                                                     (2)

де  - частота та потужність сигналу накачки (енергія якого витрачається на енергію іншого сигналу);

 - частота та потужність вхідного сигналу;

 - потужність різницевої компоненти;

m, n - індекси, що визначають різницеву компоненту .

У даному випадку m = 1, n = - 1. Згідно з цими співвідношеннями маємо:

;                                                    (3)

Звідки при  та  :

,                                        (4)

.                                                 (5)

Це означає, що енергія сигналу гетеродина буде витрачатися на формування різницевої компоненти і на підсилення потужності вхідного сигналу. Енергетичні співвідношення для перетворювача частоти у даному випадку відповідають співвідношенням для двоконтурного параметричного підсилювача регенеративного типу [2].

Таким чином, енергетичні співвідношення Менлі і Роу не тільки пояснюють принцип змішування сигналів на нелінійній ємності, але і вказують спосіб підвищити ККД змішувача: для підвищення ККД згідно з (4) треба підвищити рівень потужності гетеродину. Це підтверджують результати моделювання: при потужності гетеродину 20 дБм (100 мВт) витрати перетворення становлять 2,47 дБ, а ККД . Обмеженням на підвищення потужності є умова стійкості змішувача сигналів (відсутність автоколивань). Це зумовлює перспективність і обмеження використання змішувачів сигналів на нелінійних ємностях у системах зв’язку з жорсткими вимогами до енергетичної ефективності.

 

Перелік посилань:

 

1. Полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, оптоэлектронные приборы: Справочник. А. В. Баюков, А. Б. Гитцевич, А. А. Зайцев, В. В. Мокряков, В. М. Петухов. – М., 1987 г.

2. В. С. Андреев. Теория нелинейных электрических цепей. – М.: Связь, 1972. – 328 с.