Прп иапряжепии, приложенном прямом направлении, и коэффргциенте р>1 с учетом (6.9) н (6.11) имеем

(6.14)

Потери преобразования в режиме согласования могут быть определены из статической вольтамперной характеристики следующим образом [5]:

4/о (x)[ll(x)-l\{x)\ h(x)[h(x)-h{x)]

(6.15)

где / (л:), /, (л:), /, (л:) - модуль функции Бесселя мнимого аргумента л-го порядка при разложении экспоненциальной функции в ряд Фурье;

Ug - амплитуда гетеродина.

Хотя эта формула дает результаты, недостаточно точно совпадающие с экспериментом, ее применение для относительной оценки изменения Lq с температурой вполне оправдано [6].

Учет влияния паразитных параметров диода на величину L производится с помощью выражения

I = Lo(l-b2(or.C),

(6.16)

где Г5 - активное сопротивление потерь;

С - шунтирующая емкость р-п перехода.

В диапазоне частот, где емкость С = Сб-t-Сдиф, для области рабочих токов получим при х2

flip

ч/ - ill

Со cos (.irctg (от ;)

0=---

Хд - время диэлектрической релаксации.

Из анализа выражений для относительной шумовой те.мпературы и потерь преобразования следует, что при глубоком охлаждении смесителя обе эти величины могут быть значительно лучше, а необходимая мощность гетеродина может быть снижена. Чем ниже температура Т среды, окружающей диод, тем меньше может быть амплитуда напряжения гетеродина для получения .минимальных потерь преобразования L при 3~const.

Ввиду того что амп.питуда напряжения гетеродина Ug (при подаче положительного смещения на диод, примерно равного f/к) обычно в несколько раз превы-

шает величину р - ,в пределах рабочего участка ха-

рактеристики диода справедливо соотношение

JLJL.1-L

г, <Tt 2

(6.17)

так как

1-е *;1.

Если же величина Ug при данной температуре Т не

fkT г,

намного отличается от то уменьшение приводит

к уменьшению статического значения ут- Можно показать, что динамическая шумовая температура диода Тд будет при х>2 и Р=Р(7)

{T)kT-

так как

1{х).

V2t-

Когда величина сопротивления Ri р-п перехода уменьшится до такой степени, что начнет сказьп)агься наличие

сопротивления потерь то для расчета ут можно получить следующую формулу

1ри rs{T)>Ri(T) имеем

1{Т)

q I (/э А£ (Г) \ \ Г.(/-)<?.4ехр ITT)--ТУ

где Д£ -Д£ (1-i-0,5) - в зависимости от степени легирования;

А - коэффициент, не зависящий от Т.

Таким образом, тепловые и дробовые шумы смесительного диода, вольтамперная характеристика которого описывается формулой Шокли (Р=1), с понижением температуры будут падать. Из выражений (6.15) и (6.17) видно, что в этом случае даже при L = const эффективный коэффициент шума смесителей СВЧ на полупроводниковых диодах за счет охлаждения до азотных температур может быть улучшен примерно на 5-6 дб, а при охлаждении до гелиевых температур - примерно па 17-19 дб. Следовательно, по шумовым свойствам охлажденный смеситель СВЧ можно сравнить с параметрическим усилителем, работающим при заданной температуре (особенно в коротковолновой части диапазона СВЧ), а ограничение чувствительности его будет, в основном, обусловлено шумами предварительного УПЧ. Однако для получения такого улучшения параметров всего устройства необходимо выполнить ряд условий:

- коэффициент р в выражении для тока диода не должен ухудшаться (увеличиваться) с понижением температуры; желательно применять диоды, у которых величина .р при этом уменьшается но сравнению с Р при 7о, что дает дополнительный выигрыш по шумам;

- изменения полного входного и выходного сопротивлений смесителя от тгмпературы должны допускать возможность его согласования при заданной температуре в криостате;

- паразитные параметры диодов не должны увеличиваться при низких температурах, а работоспособность приборов должна оставаться неизменной.

Отметим, что на нелинейные свойства диодов будет также оказывать влияние температурная зависимость сопротивления нейтральных областей диода. С учетом падения напряжения на этом сопротивлении можно записать следующую зависимость:

(6.18)

Для исследования возможности применения в охлажденных смесителях обычных смесительных диодов были сняты низкотемпературные зависимости вольтамперных характеристик, коэффициента шума и входного (выходного) сопротивления этих диодов.

Работоспособность одной партии обычных смесительных диодов, подвергнутых резкому охлаждению до 7 = 77°К, может быть охарактеризована данными, приведенными в табл. 6.2.

ТАВЛИ.ЦА 6.2

Последующие циклы охлаждения, как правило, не приводят к выходу диодов из строя.

Экспериментальное исследование влияния низких температур на свойства и параметры смесителей СВЧ

дпапазоЕ1а производилось иа специальной установке, обеспечивающей работу в различных участках диапазона СВЧ.

в качестве примера приведем результаты, полученные на частоте 8880 Мгц. Для испытаний использовался специально разработанный экспериментальный смеситель, внешний вид которого приведен иа рис. 6.1G, а также стандартные смесительные головки. В качестве

Рис. 6.1С Охлаждаемый экспериментальный смеситель.

гетеродина применялись клистроны. Выходное сопротивление смесителя на промежуточной частоте измерялось отдельным прибором, размещенным вне криостата. Температура диодов измерялась с помощью термопары медь - константан, рабочий спай которой закреплялся непосредственно на диоде, а опорный - в сосуде с тающим льдом. Для предотвращения конденсации жидкого воздуха в держателе смесителя последний был герметически закрыт и отделен от остальной части волновод-ного измерительного тракта посредством тонкой прокладки из тефлона. Измерение КБВ производилось с помощью измерительной линии типа ИВЛУ-140. Постоянное смещение на диод подавалось через предварительный усилитель промежуточной частоты, который имел среднюю частоту 70 Мгц, полосу пропускания 6 Мгц и коэффициент шума 4,0 дб.

Исследуемый диод помещался в держатель смесителя, расположенного в холодильной камере, в которой поддерживалась необходимая температура в пределах

78-300° К. Измерения производились следующим образом. В холодильную камеру заливался жидкий азот, смеситель охлаждался до температуры порядка 78- 90° К, а затем его медленно нагревали до комнатной температуры. Тепловая инерция холодильной камеры была настолько большой, что за время одного цикла измерений температура смесителя изменялась не более чем на 1°К. Измерения производились в отдельных точках с интервалом (5-10)° К. При этом определялись:

1/с ,в КБВ

100 150 ZOO Z50 300

Т,°К

Рис. 6.17. Зависимость КБВ смесителя на диодах Д405Б от температуры при переменном напряжении смещения иы {1, 2) и при fcM=0,35 в (3), а также зависимость t/см от температуры.

величина тока диода, выходное сопротивление на промежуточной частоте, КБВ и нормированный коэффициент шума в зависимости от величины положительного смещения на диоде при нескольких фиксированных значениях мощности гетеродина. Чтобы исключить ошибки из-за изменения вольтамперной характеристики диода от изменения температуры, перед калибровкой мощности гетеродин отключался и при помощи напряжения постоянного смещения устанавливался начальный ток диода 100 мка.

Результаты измерения зависимости КБВ смесителя от напряжения постоянного смещения при разных значениях температуры показывают, что изменением величины постоянного смещения можно при данной температуре подобрать наилучший КБВ. На рис. 6.17 приведена зависимость КБВ двух диодов типа Д405Б от температуры. Величина напряжения смещения пока-

21-2175 - 321 -