Файл: Радиоприемные устройства учебник..pdf

дссь изыскание новых принципов и технологических процессов и изыс­ кание достаточно эффективных рабочих веществ.

Для приема сигналов миллиметровых и децнмиллиметровых волн используют приемники супергетеродинного типа, прямого усиления и нередко простейшие детекторные приемники. Создание таких прием­ ников, особенно в диапазоне децнмиллиметровых волн, представляет сложную задачу и вызывает большие трудности; их узлы и элементы в ряде случаев существенно отличаются от аналогичных в приемниках сантиметрового диапазона.

В системах связи рассматриваемых диапазонов применяют обычные методы приема модулированных сигналов (радиорелейная, волновод­ ная связь), методы активной радиолокации (ближняя радионавигация, радиоастрономия) и методы пассивной радиолокации (радиоастроно­ мия, дальняя радионавигация). В пассивной радиолокации или радиотеплолокацин осуществляется прием естественного радиоизлучения различных объектов специальными радиоприемными устройствами, называемыми радиометрами. Такие и другие приемники миллиметрово­ го и децимиллиметровего диапазонов должны быть широкополосными и высокочувствительными. Первое связано с широкой полосой спектра радиотепловых и других сигналов и значительной нестабильностью частоты генераторов сигналов и гетеродинов. Так, ширина спектра излучения звезд и межзвездного пространства составляет Af ж (КГ7

10~3) f о, где /о — средняя частота излучения. Относительная неста­ бильность частоты генераторов равна А///„ ~ 1СГ3, что вынуждает применять нередко схемы стабилизации и автоматической подстройки частоты, подобные схемам, используемым в сантиметровом диапазоне» Требование высокой чувствительности обусловлено небольшой мощ­ ностью излучения передатчиков (от микроватт до десятков милливатт),

шими потерями в волноводах и резонаторах. При канализации энер­ гии по металлическим волноводам принятых стандартных размеров резко возрастают потери с уменьшением длины волны: если на волне Я = 10 мм потери составляют б = 26 дБ/м, то на К = 0,2 мм они ста­ новятся равными б = 120 дБ/м. Вследствие этого уже в коротковол­ новой части миллиметрового диапазона используют иные системы передачи. В частности, уменьшения потерь достигают, применяя вол­ новоды, поперечные размеры которых превышают примерно в 10 раз размеры стандартных (на волне X = 0,4 мм при размерах волновода

3,4 X 7 мм потери б = 7,7 дБ/м).

Миллиметровый диапазон. Наибольшую чувствительность обес­ печивает супергетеродинный приемник с предварительным парамаг­ нитным или с охлаждаемым полупроводниковым параметрическим усилителем. В ряде случаев предварительными усилителями служат усилители на лампах бегущей волны или на туннельных диодах. Ис­ пользование таких малошумящих усилителей, часть которых рассмот­ рена в гл. 4, ограничено пока длинноволновой частью миллиметрового диапазона (Я ^ 0,5 мм). Кроме того, они представляют собой уникаль­ ные, дорогостоящие устройства, как правило, значительно усложняю-

536

щие эксплуатацию приемников. Поэтому часто первым каскадом супер­ гетеродинных приемников и особенно в коротковолновой части мил­ лиметрового диапазона воли (> ^0 ,5 мм), служит преобразователь час­ тоты; к нему предъявляют требования обеспечения широкополосности и минимального коэффициента шума. В смесителях, а также в детек­ торах находят применение в основном сосредоточенные нелинейные элементы, которыми служат точечные полупроводниковые диоды и не­ которые их модификации (плоскостные с «точечной геометрией», с «го­ рячими» носителями и др.). '

Точечный диод состоит из большой пластинки полупроводника и тонкой металлической пружинки. Такая конструкция диода снижает емкость р-п перехода диода, а омические потери-уменьшают, применяя в качестве полупроводника низкоомные материалы ■— кремний с про­ водимостью p-типа, германий «-типа, арсенид галлия «-типа. Удельное сопротивление и емкость перехода диодов характеризуются значения­ ми р = 0,0054-0,02 Ом-см, Срп = 0,05 пФ. В диодах с «горячими» носителями область металл — полупроводник сильно легирована по сравнению с остальной частью полупроводниковой пластинки. Это способствует повышению стабильности параметров и, что не менее важно, увеличению мощности выгорания диодов.

Создание балансных схем смесителей оказывается затруднитель­ ным по двум причинам. С одной стороны, из-за сложности подбора пар диодов с идентичными параметрами на радио- и промежуточной частотах и, с другой, из-за трудности обеспечения фазовых соотноше­ ний сигналов, подводимых к диодам (при наличии пар диодов с оди­ наковыми параметрами). Вследствие этого нередко используют обыч­ ные однотактные схемы с достаточно высокой промежуточной частотой.

При высокой f п (от сотен мегагерц до нескольких гигагерц) упро­ щается задача создания широкополосных УПЧ и, что не менее важно, уменьшается влияние шума гетеродина, величина которого достаточно велика. Однако в этом случае увеличивается влияние шума УПЧ на результирующую температуру шума приемника и затрудняется филь­ трация мощности высокочастотного сигнала. Вторая трудность связана с выбором гетеродинов. Современные электронные генераторы типа лампы обратной волны являются дорогостоящими, громоздкими и, кроме того, недостаточно надежными устройствами. Поэтому преоб­ разование частоты нередко осуществляют на гармониках более низко­ частотных генераторов. В последнее время используют также твердо­ тельные генераторы небольшой мощности (Р « 104-20 мВт) на тран­ зисторно-варакторных умножительных схемах, в которых первичным источником служат клистронные или магнетронные генераторы сан­ тиметрового диапазона волн; разработаны и другие типы генера­ торов.

При использовании точечных диодов в качестве смесителей и ум­ ножителей необходимо в первую очередь знать величину их потерь преобразования. Известная эквивалентная схема диода, представляю­ щая собой параллельное соединение переменного сопротивления R pn и емкости Срп р-п перехода и включенного последовательно с ними объ­ емного сопротивления R „, оказывается справедливой только до неко­

537

торых частот. Минимальное значение потерь преобразования опреде­ ляется выражением

(«о = 0).

Исследования показывают, что потери преобразования увеличи­ ваются с ростом частоты из-за влияния паразитных параметров диода. Они характеризуются в среднем величиной 10—15 дБ при переходе от основной гармоники ко 2-й, от 2-й к 3-й и т. д. Следует также учи­ тывать, что мощность гетеродина, необходимая для обеспечения минимальных потерь преобразования, увеличивается с ростом час­ тоты. Поэтому на практике мощность гетеродина Р Гопт, обеспечи­ вающая минимальное значение потерь, может оказаться больше мощ­ ности выгорания диода. Очевидно, при условии Р Г< Е Г0ПТ будут возрастать потери преобразования и, следовательно, снижаться чув­ ствительность приемника. В настоящее время для лучших образцов смесительных диодов получена относительная температура fCM«l,6-7- -i-2,5 при работе на сверхвысокой / п в широкой полосе пропускания приемника.

УПЧ супергетеродпнных приемников выполняют на ЛБВ санти­ метрового диапазона или на других электронных или полупроводни­ ковых приборах. В частности, усилитель на ЛБВ позволяет получить усиление К р~50 дБ, коэффициент шума N = 6-ь8 дБ в широкой по­ лосе пропускания приемника.

Детекторные приемники выполняют, как правило, на сосредото­ ченных нелинейных элементах, и они являются достаточно простыми и дешевыми устройствами, не требующими к тому же охлаждения до низких температур. Несмотря на отсутствие усиления по высокой частоте, чувствительность детекторных приемников миллиметрового диапазона волн может быть соизмеримой с чувствительностью прос­ тейших супергетеродинных приемников. Высокочастотные детектор­ ные системы выполняют в виде волноводных устройств со встроенны­ ми в них диодами (рис. 14.2, а) или в виде петлевой конструкции (рис. 14.2, б). Резкая нелинейность статической ВАХ точечных диодов (рис. 14.2, в) обеспечивает высокую чувствительность и достаточное быстродействие. Для определения чувствительности детекторного приемника необходимо оценить в общем случае действие шума. Поэ­ тому наряду с чувствительностью детектора по току Kni, рассмотрен­ ной в гл. 4, вводят иную характеристику — эквивалентную мощ­ ность шума (ЭМШ)*>. Ее определяют как мощность входного сигнала, требуемую для создания выходного сигнала, равного шумовому сиг-

*> Детектор сверхвысоких частот характеризуют также вольтваттной чувст­ вительностью S = Дб/ДР, где Д U — приращение выходного напряжения, соот­ ветствующее приращению мощности входного сигнала на величину ДР,

538

переход от сосредоточенных детекторных элементов к распределенным (площадным) и от волновых методов согласования потоков излучения

ную плотность теплового шума kT при температурах Т « 300 К.

Применение сосредоточенных нелинейных элементов ограничи­ вается уже на волнах Я ^2-т-3 мм. В диапазоне децимиллиметровых волн используют детекторные приемники, подобные приемникам оптического диапазона, принцип действия которых основан на тепло­ вых. квантовых и других эффектах (болометры, оптико-акустические приемники и др.).

Особенностью квазиоптических приемников является широкополосность и отсутствие поляризационной избирательности. Принцип действия теплового приемника — болометра основан на изменении

Б39