Дробовой шум прокачиваемого диода ставит предел чувствительности приёмника

Смеситель на диоде Шоттки это сердце почти любого приёмника миллиметрового диапазона. Он переносит слабый принятый сигнал с высокой частоты на промежуточную, где его удобно усиливать и обрабатывать, перемножая сигнал с колебанием местного гетеродина на нелинейности диода. Диод Шоттки выбран не случайно: у него нет накопления неосновных носителей, он работает на сверхвысоких частотах вплоть до терагерц, и не требует охлаждения. Но за переносом частоты прячется неизбежная плата, потери преобразования и собственный шум, которые вместе ставят предел чувствительности всего приёмника.

Шум смесителя рождается из двух источников внутри диода: теплового шума его последовательного сопротивления и дробового шума тока, периодически прокачиваемого гетеродином через проводимость перехода. На миллиметровых волнах, где сигналы радиоастрономии и атмосферного зондирования исчезающе слабы, каждый децибел потерь и каждый градус шумовой температуры на счету. Разберём механизм преобразования частоты на нелинейности диода, природу его шумов и приёмы, которыми добиваются минимальной шумовой температуры неохлаждаемого приёмника.

Преобразование частоты на нелинейной проводимости диода

Смеситель работает на нелинейности вольт-амперной характеристики диода Шоттки. Ток через диод зависит от напряжения экспоненциально, и эта кривизна и есть рабочий механизм. Когда на диод подают одновременно мощное колебание гетеродина и слабый принятый сигнал, нелинейность перемножает их, порождая колебания на суммарной и разностной частотах. Разностная частота, промежуточная, и есть полезный выход, несущий ту же информацию, что и принятый сигнал, но на удобной низкой частоте.

Мощный гетеродин играет ключевую роль: он раскачивает рабочую точку диода по нелинейной характеристике, периодически отпирая и запирая переход. Проводимость диода и его ёмкость меняются во времени в такт гетеродину, и именно эта периодически меняющаяся проводимость смешивает сигнал с гетеродином. Анализ смесителя начинают с нелинейного расчёта, определяющего формы колебаний проводимости и ёмкости диода под действием гетеродина, а затем малосигнальным линейным анализом находят потери преобразования, импедансы портов и входную шумовую температуру.

Уровень мощности гетеродина критичен для работы смесителя. Слишком слабый гетеродин не раскачивает диод как следует, нелинейность используется не полностью, и потери преобразования растут. Слишком сильный перегружает диод и тоже ухудшает характеристики. Существует оптимальная мощность гетеродина, при которой потери преобразования минимальны, и её подбирают экспериментально. Более фундаментальным параметром, чем амплитуда напряжения на диоде, считают коэффициент заполнения импульса тока диода, потому что напряжение на диоде обычно несинусоидально, а именно форма токового импульса определяет режим смешения.

Потери преобразования как первая составляющая шумового баланса

Главный показатель смесителя это потери преобразования, отношение мощности сигнала на входе к мощности на промежуточной частоте на выходе. Смеситель на диоде пассивен, он не усиливает, а лишь переносит частоту, и потому всегда теряет часть мощности. Потери преобразования измеряют в децибелах, и они напрямую входят в шумовой баланс приёмника: каждый децибел потерь смесителя почти впрямую добавляется к шум-фактору всего тракта, потому что слабый сигнал после смесителя приходится усиливать с уже ухудшенным отношением сигнала к шуму.

Конкретные цифры показывают масштаб. Смеситель основной гармоники на X-диапазоне способен давать малые потери, но с ростом частоты они растут. Для смесителя четвёртой гармоники около 300 гигагерц измеренные потери преобразования составили 9-10 децибел в верхней боковой полосе при одной боковой полосе, а лучший результат с учётом обеих полос около 14 децибел. Гармонические смесители, где гетеродин работает на доле рабочей частоты, упрощают построение гетеродина, но платят за это более высокими потерями преобразования и шумовой температурой по сравнению со смесителем основной гармоники.

Потери зависят от множества факторов, и каждый поддаётся оптимизации. Сопротивление нагрузки смесителя влияет на потери: при малом сопротивлении протекает больше выпрямленного тока, и характеристики улучшаются. Паразитные последовательная индуктивность выводов и ёмкость перехода диода ухудшают потери на высоких частотах, шунтируя полезный ток и рассогласовывая диод. Поэтому для миллиметровых волн выбирают диоды с минимальной ёмкостью перехода и предельно высокой граничной частотой, а паразитную индуктивность минимизируют конструкцией корпуса.

Тепловой и дробовой шум как два источника собственного шума диода

Собственный шум смесителя складывается из двух физически разных источников внутри диода. Первый это тепловой шум последовательного сопротивления диода, неизбежный шум любого резистора, вызванный хаотическим тепловым движением носителей. Он пропорционален сопротивлению и температуре, и потому диоды для малошумящих смесителей делают с минимальным последовательным сопротивлением. Тепловой шум присутствует всегда, независимо от режима, и задаёт нижний предел шума, связанный с омическими потерями диода.

Второй источник это дробовой шум тока, периодически прокачиваемого гетеродином через проводимость перехода. Дробовой шум рождается из дискретности заряда: ток через переход это поток отдельных носителей, и их случайное во времени прохождение создаёт флуктуации. Поскольку гетеродин периодически прокачивает через диод большой ток, дробовой шум этого тока модулируется в такт гетеродину и переносится на промежуточную частоту вместе с сигналом. Дробовой шум прокачиваемого тока в проводимости диода обычно и есть главный источник шума смесителя, превосходящий тепловой вклад.

При расчёте шумовой температуры учитывают оба источника. Программа анализа смесителя рассматривает и тепловой шум последовательного сопротивления, и дробовой шум периодически прокачиваемого тока в проводимости диода, складывая их вклады. Полную шумовую температуру смесителя получают, приводя оба шума ко входу через потери преобразования. Чем больше потери, тем сильнее собственный шум диода пересчитывается во входную шумовую температуру, потому что слабый входной сигнал относится к фиксированному выходному шуму. Так потери и шум диода связываются в единую шумовую температуру смесителя.

Шумовая температура и метод Y-фактора для её измерения

Шум приёмника характеризуют либо шум-фактором в децибелах, либо эквивалентной шумовой температурой в кельвинах, и эти меры эквивалентны. Шум-фактор это отношение отношения сигнал-шум на входе к отношению сигнал-шум на выходе, и для смесителя он во многом определяется потерями преобразования. В некоторых применениях шум-фактор и потери преобразования практически равны, но шум-фактор дополнительно включает собственный шум диода, который становится заметным на низких промежуточных частотах из-за фликкер-шума, шума вида один на эф. Тогда шум-фактор оказывается заметно больше потерь преобразования.

Различают шум по одной и по двум боковым полосам. Сигнал может приходить в двух зеркальных полосах относительно гетеродина, верхней и нижней, и если полезен только сигнал одной полосы, а шум собирается из обеих, шумовая температура по одной боковой полосе вдвое хуже, чем по двум. Это различие важно при сравнении смесителей: значения по одной и по двум боковым полосам нельзя путать. Конкретные результаты показывают порядок величин: для смесителя 300 гигагерц шумовая температура составила 2000-2600 кельвинов по одной боковой полосе, а лучшее значение эквивалентной шумовой температуры около 9600 кельвинов.

Измеряют шумовую температуру методом Y-фактора. На вход смесителя поочерёдно подают шум от горячей и холодной нагрузок известных температур, измеряют отношение выходных мощностей, и по нему вычисляют шумовую температуру смесителя. Метод прост и надёжен, потому что опирается на хорошо известные температуры эталонных нагрузок. Прототипы миллиметровых смесителей характеризуют именно так, получая и потери преобразования, и шумовую температуру в одном измерении. Лучшие неохлаждаемые приёмники для атмосферного озона достигли двухполосной шумовой температуры около 260 кельвинов на частоте гетеродина 113 гигагерц, что стало рекордом для неохлаждаемых систем с диодами Шоттки.

Граничная частота диода и предел достижимого шума

Способность диода работать на высоких частотах определяется его граничной частотой, отсечкой, связанной с произведением последовательного сопротивления на ёмкость перехода. Чем выше граничная частота, тем меньше паразитное влияние ёмкости и сопротивления на рабочей частоте, и тем ниже потери и шум. Для миллиметровых волн нужны диоды с граничной частотой намного выше рабочей. Расчёт показывает, что смесители на диодах Шоттки способны давать шум-фактор по одной боковой полосе всего около 3 децибел на X-диапазоне в паре с малошумящим усилителем промежуточной частоты, при условии что граничная частота диодов выше 500 гигагерц.

Связь граничной частоты с качеством смесителя прямая. Низкая граничная частота означает большую ёмкость или сопротивление, которые шунтируют полезный ток и добавляют тепловой шум, поднимая и потери, и шумовую температуру. Поэтому технология диодов для миллиметровых смесителей нацелена на уменьшение ёмкости перехода через малую площадь контакта и на снижение последовательного сопротивления через высокое легирование и оптимальную геометрию. Планарные диоды Шоттки, изготовленные групповыми методами, вытеснили хрупкие точечно-контактные конструкции, сохранив высокую граничную частоту и добавив механическую надёжность и воспроизводимость.

Усилитель промежуточной частоты тоже входит в шумовой баланс и потому требует внимания. Поскольку смеситель пассивен и теряет мощность, шум следующего за ним усилителя промежуточной частоты пересчитывается ко входу с учётом потерь смесителя и заметно влияет на общую шумовую температуру. Поэтому смеситель и малошумящий усилитель проектируют как единый узел, иногда интегрируя их в одном корпусе. Объединение смесителя со сверхмалошумящим усилителем промежуточной частоты в одном блоке как раз и позволило достичь рекордно низкой шумовой температуры неохлаждаемого приёмника, потому что между ними нет лишних потерь, ухудшающих баланс.

Охлаждение и схемные приёмы снижения шума

Когда требования к шуму предельно жёстки, смеситель охлаждают. Снижение физической температуры диода прямо уменьшает тепловой шум последовательного сопротивления и улучшает характеристики перехода. Охлаждение даёт впечатляющий выигрыш: для смесителя 585 гигагерц при комнатной температуре системная шумовая температура составляла 2380 кельвинов, при охлаждении до 77 кельвинов опустилась до 1240, а при 4.2 кельвина до 880 кельвинов, причём с меньшей требуемой мощностью гетеродина. Охлаждение применяют в радиоастрономии, где чувствительность важнее простоты, но оно требует криогенной техники, дорогой и громоздкой.

Для неохлаждаемых систем шум снижают схемными приёмами. Балансные и субгармонические смесители подавляют шум гетеродина, который иначе подмешивался бы к сигналу, и ослабляют требования к развязке портов. Субгармонический смеситель работает на гетеродине вдвое или вчетверо ниже рабочей частоты, что упрощает построение гетеродина без умножителя частоты и его цепей смещения, давая более компактное решение ценой некоторого роста потерь и шума. Согласование портов смесителя фильтрами по сигнальной, гетеродинной и промежуточной частотам направляет каждую составляющую туда, куда нужно, и не даёт полезной мощности теряться.

Подбор рабочей точки и нагрузки тоже снижает шум. Оптимальная мощность гетеродина минимизирует потери и связанный с ними пересчёт шума ко входу. Выбор сопротивления нагрузки влияет на выпрямленный ток и характеристики смешения. Согласование импедансов диода с трактом по всем рабочим частотам уменьшает отражения и потери. Все эти приёмы вместе позволяют выжать из неохлаждаемого смесителя шумовую температуру, близкую к фундаментальному пределу диода, не прибегая к криогенике, что и нужно для полевых и бортовых приёмников.

Сведение факторов шума в единую стратегию

Соберём картину шума смесителя на диоде Шоттки воедино. Преобразование частоты идёт на нелинейной проводимости диода, раскачиваемого гетеродином, и сопровождается потерями преобразования, входящими в шумовой баланс почти впрямую. Собственный шум диода складывается из теплового шума последовательного сопротивления и дробового шума прокачиваемого гетеродином тока, причём дробовой обычно доминирует. Оба приводятся ко входу через потери, давая шумовую температуру смесителя, которую измеряют методом Y-фактора и выражают по одной или по двум боковым полосам.

Числовые ориентиры расставляют рамки достижимого. На X-диапазоне возможен шум-фактор около 3 децибел по одной боковой полосе при граничной частоте диодов выше 500 гигагерц. На 300 гигагерцах потери преобразования 9-14 децибел и шумовая температура от 2000 до 9600 кельвинов в зависимости от типа смесителя. Неохлаждаемый приёмник на 113 гигагерцах достиг двухполосной шумовой температуры 260 кельвинов, а охлаждение смесителя 585 гигагерц до 4.2 кельвина опустило системный шум до 880 кельвинов. Граничная частота диода и мощность гетеродина задают режим, в котором потери и шум минимальны.

Грамотный малошумящий смеситель это всегда баланс между шумом, сложностью и условиями работы. Диод с высокой граничной частотой и малой ёмкостью даёт низкие потери, но дорог и хрупок без планарной технологии. Смеситель основной гармоники тише гармонического, но требует сложного высокочастотного гетеродина. Охлаждение резко снижает шум, но требует криогеники. Субгармонический смеситель упрощает гетеродин ценой роста шума. Интеграция с малошумящим усилителем промежуточной частоты убирает лишние потери. Опытный разработчик сводит выбор диода, тип смесителя, мощность гетеродина, согласование портов, интеграцию с усилителем и при необходимости охлаждение в одно решение, где потери преобразования и собственный шум диода сведены к минимуму, шумовая температура близка к фундаментальному пределу, а приёмник остаётся чувствительным во всём рабочем диапазоне миллиметровых волн.