"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 1, 2002

оглавление

дискуссия

 

О шумовых параметрах диодных смесителей

 

          Ю.А. Дрягин            

 

Институт прикладной физики РАН

 

 

Получена 15 января 2002 г.

 

        Рассмотрены и уточнены определения потерь преобразования и шумового отношения смесительных диодов. Приведён метод измерения и рабочие формулы для расчёта в режиме приёма теплового шумового источника. Вскрыты довольно устойчивые заблуждения в определении некоторых параметров широкополосных смесителей и выявлены ошибки в выражениях, связывающих эти величины, к сожалению, содержащиеся и в Госстандарте.

 

1.       ВВЕДЕНИЕ

2.       ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СМЕСИТЕЛЯ L и t

3.       ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА И ШУМ-ФАКТОР

4.       ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ

5.       ЗАКЛЮЧЕНИЕ

6.       ЛИТЕРАТУРА

 

 

1. ВВЕДЕНИЕ

 

        Задачей настоящей работы является обоснование и уточнение метода тепловой калибровки для измерения параметров смесителей диапазона коротких миллиметровых радиоволн. Смесители этого диапазона, как правило, работают в широкополосном (двухканальном) режиме. В этом же режиме, как известно [1,2], измеряются параметры смесительных диодов, и осуществляется их паспортизация. Параметры, характеризующие смеситель, были введены еще в сороковых годах [3,4]: это потери преобразования L и шумовое отношение  t . С тех пор в инженерной практике, в том числе и при разработке измерительных методик широко пользовались соотношениями:

                                       (1)

где  шум-факторы смесителя, системы смеситель-усилитель промчастоты (УПЧ) и собственно УПЧ. В пионерских работах не была оговорена пригодность выражений для разных режимов работы смесителя. В широкополосном случае смеситель преобразует в промежуточную частоту два различных участка спектра входных сигналов, являясь фактически шестиполюсником. Дискуссия об определении его шум-фактора с переменным успехом продолжалась вплоть до середины шестидесятых годов [5-8] ^[*]. В результате были предложены разумные определения шум фактора, в том числе и для смесителя с несколькими каналами приёма (см., например, [8] - этого определения мы будем придерживаться в дальнейшем). Но соотношения (1) в этом случае становятся неверными, причём этот факт не отмечен ни в отечественной литературе, ни в публикациях института американских радиоинженеров. Ниже будут построены строгие соотношения между шум-фактором широкополосного смесителя и его первичными параметрами.

Вторым источником ошибок в этом круге вопросов, по нашему мнению, является следующее обстоятельство. Шум-фактор линейного четырёхполюсника F был введен в конце 40-х годов, в первую очередь, для расчёта порогового сигнала чувствительных линейных устройств. Действительно, по определению, пороговый сигнал - это такой входной сигнал, который развивает на выходе мощность, равную мощности выходного шума. Шум-фактор был определён как отношение:

        ,

а пороговый сигнал:

       .

Эквивалентная температура шума входа (её теперь обозначают - температура антенны), как само собой разумеющееся, принималась равной температуре лаборатории . Вскоре стало ясно, что  очень редко равна , т.е. F . величина не постоянная и не может являться параметром аппаратуры. Выход был найден: определение для F  сохранили прежним, уточнив, что оно справедливо только при , к сожалению, выражение для порогового сигнала стало неверным. Для характеристики шумовых свойств линейных малошумящих усилителей и преобразователей радиоинженеры  и особенно радиоастрономы охотнее стали использовать другой параметр — шумовую температуру  [11].  имеет физически наглядный смысл и вместе с  однозначно определяет пороговый сигнал устройства:

                ,

а с фактором  (и фактически определяя его) связан тождеством:

               ^[**].                            (2)

В журнальных статьях выражения (1) просто перестали встречаться, а шумовые свойства смесителей вместо спорных F и t  чаще стали характеризовать новыми параметрами. Однако в промышленности разработчики смесительных диодов согласно ГОСТа должны по-прежнему указывать в качестве основных характеристик диодов параметры L и t , измеренные в широкополосном режиме. И, если традиционная методика измерения L и t на базе генератора стандартных сигналов правомочна, то уже расчёт  по этим параметрам, а также методика измерений с тепловым эталоном (пока единственно возможная в миллиметровом диапазоне) требует обоснования и уточнения. Ревизия необходима особенно теперь, когда величины  смесителей стали близки к предельным, и при сравнении разработок, выполненных в различных лабораториях, важно адекватно оценить достоинства той или иной технологии, нового конструкторского решения.

 

 

2. ПЕРВИЧНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СМЕСИТЕЛЯ L и t

 

        Рассмотрим параметры широкополосного смесителя. Сигналы основной и зеркальной частоты равноправны, но идут по единому тракту в режиме полного согласования по высокой частоте. Выход смесителя, в свою очередь, согласован с входом УПЧ. Смеситель при этом находится в рабочем режиме, т.е. к нему подведена определенная мощность гетеродина и, если это необходимо, подано постоянное смещение.

Потери преобразования такого смесителя - L это величина, обратная его коэффициенту передачи по мощности, причем сигнал может быть монохроматическим, располагаясь в любом из входных каналов, или шумовым, занимая один, оба канала, либо произвольный интервал в последних. Вообще говоря, коэффициент передачи монохроматического сигнала даже в широкополосном смесителе может слабо зависеть от частоты. Но здесь мы будем считать, что L постоянно в пределах спектральных полос обоих каналов. Применительно к приёмникам миллиметрового диапазона это предположение близко к действительности.

При рассмотрении широкополосного смесителя иногда стали вводить параметр [12,13], который связан с потерями преобразования по сигнальному  и зеркальному  каналам соотношением , т.е. в рассматриваем случае, когда  имеем  Введение нового параметра, вносит определенную путаницу, тем более, что величина  не является коэффициентом передачи смесителя ни для синусоидальных, ни для шумовых сигналов. Введение возможно сохраняло бы смысл потерь преобразования для специальных сигналов, когда синусоидальные (либо шумовые) компоненты в зеркальной и основной полосах, равноотстоящих от гетеродина, связанны между собой и гетеродином определенными фазовыми соотношениями, так что каждая такая тройка частот образует чисто амплитудно-модулированное колебание. Известно [7,14,23], что в этом случае эффективность преобразования возрастёт вдвое, да и само явление используется в технике приема [17]. Авторы категорически возражает против употребления этого параметра без специальных разъяснений.

Для характеристики шумов смесителя используется несколько параметров. Все они, в конечном счете, определяют мощность шумов на выходе в полосе УПЧ, причем предполагается, что шумы гетеродина незначительны, либо специально скомпенсированы.

Шумовое отношение t равно [4] :

            ,                                             (3)

где  мощность шумов на выходе смесителя в полосе УПЧ, порождённая самим нелинейным элементом, но включающая и преобразованный шум входной нагрузки с температурой . Этот последний поступает по двум каналам и равен: . Вычитая  из  получим мощность собственных шумов смесителя:

             .                                (4)

Выражая эту мощность в единицах температуры, получим второй встречающийся в литературе параметр - собственную температуру шумов смесителя на ПЧ:

             ,                                        (5)

или её относительную величину:

              .                               (6)

Прежде чем переходить к расчетам чувствительности, т.е. связи рассмотренных параметров с шум фактором и шумовой температурой широкополосного супергетеродина, сделаем ряд замечаний.

Конечно, оценивать собственные шумы смесителя было бы разумнее не отношением t , а параметрами или , так как шумовое отношение включает преобразованные шумы входа и, следовательно, зависит от потерь преобразования и от Т_о. На это часто обращают внимание и в литературе (см, например [18]). Исторически сложилось так, что t  остается паспортным шумовым параметром смесителя, по-видимому, потому что он "легко" измеряется (см. ниже).

У смесителей с предельными потерями преобразования равным двум , и, если  то . При заметных потерях преобразования обе величины t  и  близки. Видимо, поэтому в литературе, а в инженерной практике, особенно, их не всегда различали. В одноканальном режиме  t , и, как уже упоминалось F , будут существенно зависеть от устройства преселектора (реактивный пассивный, его физическая температура). Поэтому в свое время было принято отождествлять параметры смесительного диода с параметрами неохлаждённого широкополосного смесителя, у которого преселектор вообще отсутствует, причём для охлаждённых смесителей параметр  t  теряет смысл.

Конечно, влияние элементов тракта, устройства смесительной камеры и здесь неизбежно, так как , включает некоторую долю преобразованных шумов входной нагрузки вблизи гармоник частоты гетеродина или СВЧ шумов камеры, преобразованных диодом. Поэтому камера при измерении паспортных параметров высокоэффективных смесительных диодов должна быть стандартизована.

 

 

3. ШУМОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА И ШУМ-ФАКТОР

 

        В определение шумовой температуры широкополосного смеситетеля в литературе нет разнотолков. Оно таково:  - это температура (в градусах Кельвина) входной нагрузка, шумовой сигнал, от которой идет по двум каналам и, вызывает удвоение собственного шума на выходе (см., например, [19]). Шум-фактором широкополосного смесителя, согласно [8]^[***] будем называть отношение полного выходного шума  в полосе УПЧ к шуму поступающему в смеситель из согласованного входного источника, находящегося при стандартной температуре  по всем каналам, по которым возможна передача информации (), умноженному на коэффициент передачи 1/L :

           .                                  (7)

Этого определения придерживаются в [20,12], однако в литературе [1,9] до сих пор встречается иное толкование шум фактора широкополосного смесителя -   вместо  в знаменателе. Ниже будет показано, что только определение в виде (7) обеспечивает выполнение тождества (2).

 и  представленные выше соответствуют величинам, встречающимся в литературе с индексом DSB. Величины и  введённые [21] для специального приёмника с идеальным фильтром каналов и нагрузкой в зеркальном, охлажденной до OK не имеют никакого отношения к реальному одноканальному приёмнику. Следовательно, расхожее утверждение  в общем случае абсолютно неверно.

Перейдём теперь к составлению самих соотношений для  Т_е  и F смесителя и приёмника. По определению, согласованная входная нагрузка широкополосного смесителя с физической температурой равной шумовой, возбудила бы  на его выходе мощность равную   см. (4):

                             (8)

Откуда получим:

          .                                                (9)

В выражение (7) для шум-фактора  введём  t  из (3):

          .                                                           (10)

Получим теперь шумовую температуру и шум-фактор всего приёмника  и  с широкополосным смесителем на входе.  можно вычислить подобно , смотри выражение (8), добавив к  смесителя шум УПЧ - , где  шумовая температура УПЧ: , откуда получим:

                                           (11)

          При нахождении  снова будем рассматривать суммарную величину шумов в сечении смеситель – УПЧ. К  смесителя прибавим эквивалентный шум УПЧ  и, используя (3) и (7) получим выражение для шум фактора всего приёмника:

                                                     (12)

Легко убедиться, что  удовлетворяют тождеству (2).

Объединяя (9),(11) и (10),(2), получим связь шумовой температуры, шум фактора супергетеродина и их составных частей;

                                                        (13)

                                                     (14)

Легко видеть, что эти выражения отличаются от формулы Фрииса, т.е. правило Фрииса для нахождения F и Т_е последовательно соединенных шестиполюсника и четырехполюсника неверно. По-видимому, этот факт, на который ранее не обращали внимания, является главным источником ошибок при выводе соотношений (13) и (14).

 

 

4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СМЕСИТЕЛЯ

 

        Измерение шумового отношения смесителя методически довольно прозрачно. Достаточно смеситель возбужденный спектрально чистым гетеродином, согласованным с входом идеального усилителя промежуточной частоты заменить стандартной эталонной нагрузкой, так отношение выходных мощностей УПЧ (или токов квадратичного второго детектора  и ) должно быть равно шумовому отношению , см.(3). Конечно, с реальным УПЧ выражение несколько усложняется:

                                      (15)

Следует иметь в виду, что при кажущейся простоте здесь неизбежны ошибки, свя­занные с малейшим рассогласованием смесителя и УПЧ, особенно заметные при малых , причем установка во время измерений на входе УПЧ циркулятора полностью их не устранит.

Для определения потерь преобразования вначале измеряют шумовую температуру супергетеродинного приёмника . Эта процедура носит название в литературе Y-метод.  Для  этого нужно установить на СВЧ входе тепловой эта­лонный источник с температурой не равной стандартной (скажем охлажденной до температуры кипящего азота ), и зафиксировать соответствующий ток 2-го детектора . В этом случае из определения шумовой температуры можно составить пропорцию: , откуда ,  а затем из соотношения (11) получить окончательно:

              .                                           (16)

          Отметим, что L измеряется более достоверно, потому что от­носительная ошибка в определении t , когда она близка к единице, невелика и слабо повлияет на результат.

 

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

        Найденные таким образом величины L и t совпадают с параметрами смесителей установленными ГОСТом СССР [22]. Однако ГОСТ предписывает вычислять шум-фактор с помощью выражений (1) которые дают величину в 2 раза большую определенного здесь  и называет его ,… «соответствующим одноканальному режиму»....  Напомним, что это название не определяет режим однозначно, так как не указывает условия запирания зеркального канала. Можно убедиться, что у одноканального смесителя шум-фактор действительно удваивается, если вход зеркального канала имеет температуру ^[****]. В литературе [12, 18, 20] иногда имеют в виду и другой одноканальный режим: входная нагрузка зеркального канала находится при нулевой температуре по Кельвину. Здесь уже шумовая температура в два раза больше, чем у двухканального, шум-фактор равен удвоенному широкополосного без еденицы, а шумовое отношение меньше прежнего на  величину . Кстати, оба эти одноканальные режимы никто никогда не осуществляет практически, а у реальных одноканальных приемников все четыре величины  могут быть совершенно иными. Этот и только этот набор величин для каждого конкретного одноканального приёмника связан между собой соотношениями (1), а к широкополосному супергетеродину выражения (1) не имеют никакого отношения. В данной работе рассмотрен супергетеродин без преселектора, у него один вход, его полоса приема , мощность порогового сигнала рассчитывается общепринятым методом, она одинакова и том случае, когда приемник установлен в локаторе и тогда, когда он используется в радиотелескопе. Параметры смесителя именно такого приемника принято отождествлять с параметрами смесительных диодов в нем установленных. Величины  связаны между собой соотношениями (9), (10), (11) и (12) в связи, с чем ГОСТ 19656. 6-74 должен быть подвергнут переработке, а ГОСТы 19656.0-74?19656.5-74 откорректированы.

Заметим в заключении: по-видимому, шум-фактор и тем паче шумовое отношение смесителей – параметры атавизмы. Для всех чувствительных приёмно-усилительных аппаратов, в том числе для охлаждённых, пороговый сигнал естественнее и проще определять с помощью  Т_е - шумовой температуры устройства, что фактически и делается в литературных и справочных источниках. А вот для смесителей вместо t необходимо ввести и узаконить  - собственную относительную температуру шумов смесителя, которая, конечно, будет зависеть и от его физической температуры и величины накачки, но не от температуры входных нагрузок.

Напомним также, что правило Фрииса для последовательно соединённых широкополосного смесителя и усилителя  в обычной форме неверно. Безусловно, этими вопросами после соответствующей дискуссии должен заняться ВНИИФТРИ и в конечном итоге Государственный стандарт.

 

 

 

6. ЛИТЕРАТУРА

 

1. Клич С.М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приёмников. -  М.: Сов. радио,  1973.

2. Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. Под ред. Горюнова Н.Н. и Носова Ю.Д. - М.: Сов. радио, 1968.

3. Peterson L.C. and Llewellin P.B. Thе performance оf mixers in terms of linear-network theory // Proc. IRE, vol.33, pp. 458-476 (July 1945).

4. Torrey H. C. and  Whitmer C.A. Crystal Rectifiers // MTT, Radiation Lab. Series, v.15, N.Y.  McCrow Hill, 1948. Кристаллические детекторы. Пер. с англ. под ред. Е.Я.Пумпера. – М.: Сов. радио, 1950.

5. Discussion оn “Noise Figure of Radio Receivers” between North D.O. and Friis H.T. // Proс. IRE, vol.33, p.125 (February 1945).

6. Соhn S.В.  The Noise Figure Muddle.// M.J. vol.2, No3, p.7. (March 1959)

7. Haun R.D.  Summary of Measurement Techniques of Parametric Amplifier and Mixer  Noise Figure. // IRE Trans. MTT-8, p.410 (July 1960)

8. Moulding N. Noise Factor. // M.J., vol.5, No1, p.74 (January  1962)

9 Крейнгель Н.С.  Шумовые параметры радиоприёмных устройств. – Л.: Энергия,  1969.

10. Белоусов А.П., Каменецкий Ю.А.   Коэффициент шума. - М: Радио и связь, 1981.

11. Ewen H.I. A Thermodynamic Analysis of Maser Systems. // M.J, vol.2, No3, pp.41-46  (March 1959).

12. Raisanen A, V.  Experimental Studies of Cooled Millimeter Wave Mixers. Thesis for the degree of Doctor of Techno­logy. // Acta Polytechnica Scandinavica, No46, Helsinki 1980.

13. Schneider M.V. Metal-Semiconductor Junctions аs Fre­quency Converters.   Infrared and Millimeter Waves.  v 6,   Аcаdеmic Press,  N.Y., 1982

14. Hines M.E. Inherent Signal Losses in Resistive-Diode Mixers.  IEEE Trans. MTT-29, N4, pp.281-292 (April, 1981),

15. Бекер В.Э., Каневский Б.З., Корогод В.В., Косов А.С., Немлихер Ю.А., Рукавицин А.Ф., Скулачёв А.П., Струков И.А.  Радиометр для астрофизических исследований в диапазоне частот 22 ГГц. – В кн.: XI Всесоюзная радио­астрономическая конференция по аппаратуре, антеннам и методам: Тез. докл. Ереван, I978.

16. Kelly A.J. Fundamental Limits on Conversion Loss of Double Sideband Resistive Mixers  // IEEE Тrаns.  MТТ-25, N11, р.867   (Nov. 1977).

17. Loss M Phasing unwanted, images out of microwave recei­vers // Electronics, vol. 38, No14, pp.89-94 (July 12, 1965).

18. Kerr A.R.  Room Temperature and Cryogenic Mixers for 80-120 GHz. // NRAO. Electronics, Division Internal Re­port, N145. Charlottesville, Virginia   (July, 1974)

19. Стандарты ИРИ по электровакуумным приборам. Определения

терминов  1962  //  ТИИЭР, 1963. №З, с.461.

20 Краус Д.  . Радиоастрономия. // Пер. с англ, под ред. В. В. Железнякова. – М.: Сов. радио, 1973.

21. Held D.N., Kerr A.R. Conversion Loss and Noise of Microwave and Millimeter-Wave Mixers: Part 1 – theory // Trans. IEEE, MTT-26, N2, p.49-55 (February, 1978)

22. Государственный стандарт СССР. Диоды полупроводниковые СВЧ, ГОСТ 19656.0-74 ?ГОСТ I9656.8-74.

23. Дрягин Ю.А.   Радиоприём   // Известия ВУЗ’ов, Радиофизика, Т.41, №11, стр. 1378  (1998).

 

 

---

 

[*] Одна из указанных работ так прямо и называлась:”The Noise Figure Muddle”

[**] Откуда:, и это верно, но вряд ли кому понравиться.

[***] Здесь автор приводит очень чёткие пояснения специально для случая широкополосного смесителя.

[****] Когда сигнал поступает только на основной частоте, а шум антенны с температурой Т_о попадает в оба канала, условия "одноканального режима" осуществляются как бы сами собой, методически это очень вредное представление; мало того, что оно породило для одного и того же приёмника несколько F и Т_е [9,10], при Т_А ? Т_о оно просто приводит к ошибкам в расчетах порогового сигнала (см., например, выражение В.15 в [1] ).

 

оглавление

дискуссия