too r.K

Рис. 6.13. Зависимость напряженности поля, создаваемой кольцевым образцом из гексаферрита бария, от температуры при различной высоте кольца h.

ЧТО коэрцитивная сила имеет тенденцию к снижению, которая проявляется уже при Г-100° К. Зависимость от температуры магнитного поля, создаваемого фер-

90 -

f3600 мгц

7-,К

Рис. 6.14. Зависимость необратимого сдвига фазы ферритового фазовращателя с активатором из ферроксдюра от температуры.

роксдюром, экспериментально определялась па кольцевых образцах из гексаферрита бария измерением величины среднего поля, т. е. напряженности поля в центре коль-

ца (рис. 6.13). Как видно из этого рисунка, при о.хлаждении до температур жидкого кислорода и азота магнитное поле увеличивается примерно на 20% в зависимости от геометрических размеров этого образца. При использовании данного ферроксдюра на СВЧ, например, для создания охлажденных ферритовых фазовращателей без внешних магнитов может происходить уве-

Вг.гс 1800

1600

1400

1000

и. 3

1900

1600

Рис. 6.15. Зависимость индукции Вт изотропного ферроксдюра и напряженности магнитного поля Н в зазоре магнита из анизотропного ферроксдюра от многократного охлаждения: / - для образца с уЯ = 4 ООО э и £,. = 3 000 гс: - для образца с /Н = -3 500 э и В,.=3 200 гц. -изотропный ферроксдюр;

- анизотропный ферроксдюр.

личение необратимого сдвига фазы Аф как за счет ферроксдюра, так и за счет роста намагниченности в феррите. Экспериментальная зависимость для этого случая представлена на рис. 6.14.

При создании охлаждаемых устройств с применением ферроксдюра необходимо учитывать еще одну особенность, проявляющуюся в области низких температур. Как известно, в ферроксдюре при первом охлаждении необратимо уменьшается его магнитная индукция Вг (рис. 6.15), при повторном охлаждении эта зависимость становится обратимой. Поэтому перед настройкой

устройств целесообразно производить старение пластин из ферроксдюра, помещая их в дьюар с жидким азотом перед электрической отработкой при температуре, отличной от 7=77° К.

Следует отметить, что необратимое изменение магнитной индукции значительно выше у образцов с низкой коэрцитивной силой. Так, например, при охлаждении изотропных кольцевых образцов с параметрами Sr=2 000 гс и Яе=1 400 э магнитная индукция изменилась на 24%, а у образцов второй группы при тех же размерах, но с В, = 2 250 гс и Я<.= 1 900 э магнитная индукция изменилась только на 6%.

Для анизотропных ферроксдюров типичные температурные зависимости величины магнитного поля Я в зазоре кольцевого магнита, установленного в охлажденном циркуляторе, приведены на рис. 6.15 пунктиром. Этот рисунок наглядно показывает возможность получения ферритовых устройств с самоподстройкой при охлаждении.

Таким образом, можно полагать, что при охлаждении до температур жидкого азота и ниже на основе ферроксдюра могут быть созданы различные устройства, использующие его высокие диэлектрические и магнитные свойства как вблизи частоты ФМР, так и вдали от нее.

4, ОХЛАЖДАЕМЫЕ СМЕСИТЕЛИ СВЧ

Одним из основных элементов супергетеродинных приемников СВЧ являются смесители на полупроводниковых диодах, выполняющие во многих случаях не только функции преобразователя частоты, но и функции высокочувствительного входного каскада. Как уже отмечалось (гл. 4), эффективный коэффициент шума смесителя СВЧ определяется соотношением

/.см = 1(Т + /уПЧ-и,

(6.6)

где L - потери преобразования смесителя;

Y - относительная шумовая температура диода (без учета шумов сопротивления на в.ходе смесителя), /упчкоэффициент 1пума усилителя промежуточной частоты.

Для оценки СВЧ смесителей применяется коэффициент шума смесителя см. который связан с эсм соотношением (при упч= )

fcM=/=acM+l=T+l=CM, (6.7)

где /см -относительная температура шума смесителя, равная

/с =% = Т+-- (6.8)

При обычных условиях эксплуатации радиоаппаратуры в результате непрерывного улучшения преобразовательных свойств диода и конструкции смесителя величина Feu практически достигала своего предела. Коэффициент шума приемника с входным смесителем (f см) на различных диодах достигает 7-8 дб на частотах менее 6 Ггц и 12-14 дб на частотах около 20 Ггц, а при повышении частоты до 40 Ггц возрастает до 16(56 (26]. Коэффициент шума УПЧ при этом составляет нормированную для расчетов величину, равную 1,5 дб. Наименьшие потери преобразования и относительную температуру шума в 3-сж диапазоне волн имеют диоды типа Д-408 и МА-423А, которые позволяют получить от смесителя Fcm менее 10 дб. Из приведенных данных следует, что при использовании даже идеального УПЧ (т. е. /упч ) коэффициент шума обычного смесителя будет около 6 дб на частотах до 10 Ггц, а на частотах более 10 Ггц значительно больше. Естественно, что устанавливать такие устройства непосредственно после входного о.хлажденного усилителя, работающего вдали от порога генерации, не следует.

Поэтому исключительно важно создать малошумящий стабильный смеситель с малыми потерями преобразования путем использования ценных свойств полупроводников при их глубоко.\1 охлаждении. Предварительно напомним, что в кристаллическом смесителе кроме прямого преобразования частоты сигнала в промежуточную существует и обратное преобразование, вызванное протеканием тока диода через входной контур. Кроме этого, во входном контуре появляется напряжение нежелательной зеркальной частоты входного сигнала (f, H=2fnpoM) из-за преобразования промежуточной частоты и частоты гетеродина. Такое преобразование па-

зывается широкополосным, в отличие от узкополосгюго, когда входной контур практически не реагирует па частоту зеркального сигнала, приводящего к паразитной обратной связи.

При дальнейшем рассмотрении будем считать избирательность фильтра перед смесительным диодом достаточно высокой и ограничимся только случаем узкополосного преобразования.

Для определения потерь преобразования L и относительной шумовой температуры y диода смесителя воспользуемся статической вольтамперной характеристикой этого диода. Как известно, степень нелинейности этой характеристики, т. е. ее крутизна при малых напряжениях гетеродина, однозначно характеризует внутреннее сопротивление преобразования Ri и крутизну преобразования S, являющихся внутренними параметрами преобразования. Вольтамперная характеристика диода обычно описывается формулой Шокли, приведенной в гл. 2.

Как уже отмечалось, в ряде работ (26-29, 5] указано на значительное расхождение опытных данных с данными, рассчитанными по формулам Шокли. В основном это расхождение сводится к тому, что коэффициент р показателя экспоненты функции i=q>( ) получается больше 1 и предэкспоненциальный множитель Io не соответствует величине тока насыщения is, особенно при низких температурах. Поэтому аналитическое выражение рабочего участка вольтамперной характеристики смесительного диода имеет вид

(6.9)

где io -ток, пропорциональный сумме плотностей обратного дырочного и электронного токов насыщения.

Для смесителей с диодным детектированием крутизна статической вольтамперной характеристики полупроводникового диода

S{t) = , (6.10)

где Мэ - мгновенное значение напряжения, приложенного к диоду; i - мгновенное значение тока диода.

Дтя крутизны S экспоненциальной характеристики имеем

(6.11)

где is - ток насыщения по формуле Шокли, или предэкспоненциальный множитель аппроксимирующей зависимости.

При низких температурах и малых прямых токах на зависимость i = f( a) начинает сказываться наличие контактной разности потенциалов Мк- Поэтому на диод подают напряжение прямого смещения ukUk-

Относительная шумовая темпеоатура диода смесителя обусловлена в основном двумя факторами: тепловым шумом за счет активных потерь в полупроводнике и дробовым шумом за счет флюктуации тока при переходе носителей заряда через барьер. При достаточно высокой промежуточной частоте шумами мерцания, обратно пропорциональными частоте, пренебрегаем.

Среднее квадратическое значение шумового тока определится как

(6.12)

ш Ki

где г - ток, протекающий через диод;

Ri=~jl-дифференциальное сопротив.тение диода;

Д/ - эквивалентная шумовая полоса; q - заряд электрона; Т - температура диода. При отсутствии напряжения, подаваемого на диод, / = 0 и шумы диода носят тепловой характер.

Относительная шумовая температура диода Yt равна отношению мощности шумов Рш, возникающих в диоде и измеренных на выходе смесителя, к мощности шумов, снимаемых с сопротивления, эквивалентного дифференциальному сопротивлению Ri диода при комнатной температуре Г==300°К:

(6.13)