ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 296
Скачиваний: 0
где Fc = Q J 2n, f c = wc/2n и F M= QM/2n, fM= юм/2я — часто ты модуляции и частоты несущих полезного и мешающего сигна лов; mс, т м — коэффициенты модуляции полезного и мешающего
сигналов.
Разлагая выходной ток лампы и полевого транзистора гвых — = / ( Е0и) по степеням малого напряжения и подставляя значение и, выделяя после преобразований амплитуды токов принимаемого сиг нала с частотой f с, амплитуды токов с частотами F с и Fm находим коэф фициент перекрестной модуляции в виде
k |
пер |
/Ом |
1 |
тм |
U? |
(3.144) |
|
7«о |
2 |
тс |
Ом* |
|
|
|
|
|
|
|||
В каскаде на полевом транзисторе со |
структурой |
МОП g h ~ ^ О, |
и поэтому коэффициент перекрестной модуляции мал. При воздействии на вход приемника нескольких мощных сигналов, близких по частоте, они вызовут перекрестную модуляцию. В этом случае для уменьшения перекрестной модуляции целесообразно применить в первом каскаде приемника полевой транзистор со структурой МОП.
Перекрестная модуляция является |
вредной при приеме сигналов |
с частотной и фазовой модуляциями. |
Это объясняется следующим. |
При одновременном воздействии полезного и мешающего сигналов на вход каскада, имеющего нелинейную характеристику, на его выходе в спектре результирующего сигнала возникают новые комбинацион ные составляющие. Получившееся изменение спектра эквивалентно искажению закона изменения мгновенной частоты или фазы результи рующего колебания во времени, что приводит к искажению частотной или фазовой модуляции. Анализ этих искажений весьма сложен.
В транзисторном каскаде при f < f r перекрестная модуляция в ос новном обусловлена нелинейностью входной характеристики и коэф
фициент перекрестных искажений равен [9] |
|
|
Апер- 4 - |
— Яом, |
(3.145) |
2 |
т 0 |
|
где £ ом = U0Jab — обобщенная |
амплитуда |
входного мешающего |
напряжения. |
|
|
Для уменьшения перекрестной модуляции в каскадах на лампе и полевом транзисторе следует выбирать режим работы этих УП так, чтобы отношение glxlgix было наименьшим, и снижать амплитуду входного мешающего сигнала, улучшая избирательность каскадов, включенных перед рассматриваемым каскадом.
Для уменьшения перекрестной модуляции в каскаде на тран зисторе необходимо уменьшать амплитуду входного мешающего сиг нала улучшением избирательности предшествующих каскадов.
ПО
Список литературы
1. |
Г у т к и н |
Л. |
С., Л е б е д е в В. Л., С и ф о р о в |
В. И. Радиоприешше |
|
|
устройства, ч. I. |
М., «Сов. радио», 1961. |
|
|
|
2. |
С и ф о р о в В. |
И. Радиоприемные устройства. М., Воениздат, 1954. |
|||
3. |
С и ф о р о в В. |
И. Радиоприемники СВЧ. М., Воениздат, 1957. |
|||
4. |
С М о г и л е в К- А., В о з н е с е н с к и й И. В., |
Ф и л и п п о в Л. А. |
|||
5. |
Радиоприемники СВЧ. М., Воениздат, 1967. |
М., Связьиздат, 1963. |
|||
Л е б е д е в |
В. |
Л. ^Радиоприемные устройства. |
|||
6. |
К у л и к о в с к и й А. А. Линейные каскады |
радиоприемников. М., Гос- |
|||
|
энергоиздат, |
1958. |
|
|
7.П е р ц о в С . В., Щ у ц к о й К- А. Усилители радиочастоты. М., «Энергия», 1969.
8.1Ц у ц к о й К. А. Транзисторные усилители высокой частоты. М., «Энергия», 1967.
9. К а л и х м а н С. Г., |
Л е в и н Я. М. Основы теории и расчета радиовеща |
тельных приемников |
на полупроводниковых приборах. М., «Связь», 1969. |
10.«Радиоприемные устройства». Под ред. Н. В. Боброва. М., «Сов. радио», 1971. Авт.: Н. В. Бобров, Г. В. Максимов, В. И. Мичурин, Д. П. Николаев.
11.Щ у ц к о й К- А. Устойчивость транзисторного усилителя с общим эмит
тером и его |
частотная и фазовая характеристики. — «Радиотехника», 1970, |
т. 25, № 8. |
С. В., Щ у ц к о й К. А. Входные цепи радиоприемников. |
12. П е р ц о в |
|
М., Энергия, |
1973. |
4.Малошумящие усилители
4.1.Общая характеристика малошумящих усилителей
Одним из основных электрических показателей радиоприемного устройства является его чувствительность. В гл. 1 было показано, что включение в состав структурной схемы приемника малошумящего усилителя высокой частоты существенно снижает его коэффициент шума, т. е. повышает чувствительность. В километровом, гектометровом, декаметровом и метровом диапазонах волн велик уровень помех на входе приемников радиосистем, поэтому не возникает необходимости в снижении коэффициента шума по сравнению с тем, который может быть реализован при использовании современных электровакуумйых приборов или транзисторов. В этих диапазонах применение мало шумящих усилителей связано в основном с разработкой специальной радиоизмерительной аппаратуры для физических и биоэлектрических измерений. В дециметровом, сантиметровом диапазонах и в длинно волновой части миллиметрового диапазона в радиоприемных устрой ствах различного назначения широкое применение находят специаль ные усилительные устройства: квантовые усилители (КУ)> параметри ческие усилители на полупроводниковых диодах (ППУ), усилители на туннельных диодах (УТД), электронно-лучевые параметрические уси лители (ЭПУ) и малошумящие лампы бегущей волны (ЛБВ).
В табл. 4.1 приведены средние значения основных параметров сов ременных малошумящих устройств различных типов. Из этой таблицы видно, что максимальную чувствительность радиоприемных устройств
удается реализовать при применении квантовых усилителей. Для нормальной работы квантовых усилителей требуются постоянные маг нитные поля с большой напряженностью и сверхнизкие температуры, что затрудняет практическое использование таких усилителей. Ос новное применение в настоящее время они находят в системах сверх дальней космической связи и в радиоастрономии. Более широкое рас пространение получили полупроводниковые параметрические усили тели и усилители на туннельных диодах. Это объясняется тем, что такие усилители при достаточно больших величинах коэффициента усиления и полосы пропускания имеют низкий уровень собственного шума, при этом их конструктивные и эксплуатационные характеристи ки удовлетворяют большинству практических требований.
Тип устройства
Квантовый усилитель
Параметрический уси литель на полупроводни ковых диодах при темпе ратуре :
7=290 К /'=77 К
Усилитель на туннель ных диодах
Электронно-лучевой па раметрический усилитель Усилитель на лампе бе
гущей волны |
одно |
|
Транзисторный |
||
каскадный |
усилитель (в |
|
диапазоне |
частот |
0>5 — |
— 4.5 ГГц)
Балансный смеситель СВЧ
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а |
4.1 |
||
|
|
Основные характеристики |
|
|
|
|||
Дециметровый диапазон |
Сантиметровый диапазон |
|||||||
|
0,3 — 3 ГГц |
|
|
3 — 30 ГГц |
|
|||
коэффи циент усиле ния, дБ |
полоса пропуска ния. % от f несущей |
коэффи циент шу ма, дБ |
шумовая темпера тура, К |
коэффи циент усиления, дБ |
полоса пропуска ния, % от f несущей |
коэффи циент шума, дБ |
|
шумовая темпера тура, К |
20 |
1 |
0.2 |
15 |
25 |
1 |
0,2 |
|
15 |
25 |
3—5 |
1,8—3 |
150—290 |
20 |
1-2 |
2,7 |
|
250 |
25 |
3—5 |
1—1,8 |
75—150 |
20 |
1—2 |
1,07 |
|
80 |
15 |
2—3 |
4—6 |
435—865 |
15 |
1—1,5 |
7—9 |
1160—2000 |
|
20 |
5—10 |
1,5—3 |
120—290 |
20 |
6—7 |
1,5-г-З |
|
120—290 |
15—20 |
20—25 |
4—5 |
435-625 |
20 |
20 |
6—7 |
|
865-1160 |
5 |
3-5 |
5 |
625 |
4 |
3 |
Г |
|
1160 |
— |
— |
5—8 |
625—1540 |
__ |
_ |
5—10 |
|
625—2600 |
При применении квантовых усилителей, параметрических усили телей на полупроводниковых диодах и усилителей на туннельных дио дах используют два варианта схем их включения в радиоприемное уст ройство: схему «на проход» и схему «на отражение», показанные со ответственно на рис. 4.1, а и б. При этом усилители называют проход ными или отражательными. В этих схемах для развязки малошумящего усилителя (МШУ) от предыдущих и последующих каскадов прием ника применяют ферритовые вентили и циркуляторы, принцип дейст вия и характеристики различных типов которых описаны в [1 ]. В схе ме на рис. 4.1, а падающая волна усиливаемого сигнала проходит через развязывающий ферритовый вентиль В и усиливается в малошумящем усилителе МШУ и далее через ферритовый вентиль В 2 поступает в на грузку. В схеме на рис. 4.1, 6 падающая волна усиливаемого сигнала через плечо 1—2 ферритового циркулятора Ц поступает на вход мало-
112
шумящего усилителя МШУ, коэффициент отражения которого по мо дулю превышает единицу. Усиленная по мощности отраженная волна через плечо 2—3 циркулятора поступает в нагрузку усилителя. Преи мущество схемы «на отражение» состоит в том, что при выходе усили теля из строя прохождение сигнала не прекращается и приемник продолжает работать, хотя и с пониженной чувствительностью.
Практическое применение этих схем требует тщательного согласо вания входных сопротивлений всех элементов тракта, так как в про тивном случае в нем возникают многократные переотраженпя сигнала и внутреннего шума. Эти переотраженпя ухудшают электрические характеристики усиления, повышают шумовую температуру приемни-
Рис. 4.1 Рис. 4.2
ка йз-за дополнительного усиления шума входной цепи последующего каскада, а в некоторых случаях могут даже привести к самовозбужде нию устройства.
Большая работа, проведенная в последние годы по исследованию и разработке электронно-лучевых параметрических усилителей и малошумящих ламп бегущей волны, привела к существенному сниже нию шумовой температуры таких приборов, поэтому они также приме няются в качестве усилителей в дециметровом и сантиметровом диа пазонах.
В случае применения малошумящих усилителей большое влияние на результирующие шумовые характеристики приемника может оказы вать шум следующего каскада. Для уменьшения влияния этого шума в приемниках различного назначения целесообразно использовать сочетания малошумящих усилителей различных типов, показанные на
рис. 4.2.
Сочетание «КУ — ППУ» применяют в приемниках космической радиосвязи и радиоастрономии, причем параметрический усилитель обычно охлаждают до температуры жидкого азота (77 К).
Сочетания «ЭПУ-УТД», «ППУ-УТД» применяют] в радиолока ционных системах, при этом часто полупроводниковый параметри ческий усилитель используют в режиме преобразования частоты уси ливаемого сигнала, а усилитель на туннельных диодах работает как предварительный усилитель промежуточной частоты.
113
.Сочетание «ЛБВ’ЛБВ», в котором используют два каскада уси ления на лампах бегущей волны, обычно охлаждаемые до температуры жидкого азота (77 К) или жидкого гелия (4 К), целесообразно приме нять там, где требуется получить усиление при малом уровне шума в широкой полосе частот с большим коэффициентом усиления и широ ким динамическим диапазоном. В качестве примера можно привести приемники ретрансляционных станций или приемники систем радиотеплолокаци и.
Вопрос об использовании различных малошумящих усилителей или их сочетании в каждом конкретном случае должен решаться с учетом всех специфических особенностей приемника и самих уси лителей.
г 4.2. Параметрические усилители
Принцип действия параметрических усилителей основан на пре-
•образовании энергии колебаний местного генератора, который обычно называют генератором «накачки», в энергию принимаемого сигнала. Это преобразование осуществляется с помощью реактивных элементов:
емкостей или |
индуктивностей, не вносящих дополнительного шума |
в устройство. |
Среди всех существующих неохлаждаемых усилителей |
параметрические усилители имеют самые низкие шумовые температуры. В схемах параметрических усилителей СВЧ широкое распростра нение получили управляемые емкости, в качестве которых используют запертый р-п переход полупроводникового диода. Реже в схемах пара метрических усилителей используют управляемые индуктивности, которые в большинстве случаев в диапазоне СВЧ реализуют с помощью ферритов. Для нормальной работы параметрического усилителя с ис пользованием феррита необходимо постоянное магнитное поле и до статочно мощный генератор накачки, под действием которого меняет ся индуктивность ферритового элемента. Эти факторы ограничивают
практическое применение таких усилителей.
Теоретически оба вида усилителей оказываются эквивалентными. Поэтому в последующем теория излагается применительно к пара-' метрическим усилителям на полупроводниковых диодах. Простейший параметрический диод (рис. 4.3) представляет собой керамический или кварцевый патрон с двумя выводами (ниппели проходной и глу хой), между которыми включен полупроводниковый р-п переход (полупроводниковая пластина). При подаче на выводы диода постоян ного отрицательного напряжения, которое его запирает, емкость р-п перехода можно представить в виде емкости конденсатора, величина которой зависит от величины приложенного напряжения. Эта зави симость, показанная на рис. 4.4, выражается с помощью формулы
Сд = С (0)/(1 + ВирпГ, |
(4.1) |
где ирп — напряжение, приложенное к р-п переходу диода; С (0) — емкость диода при ирп~ 0, обычно изменяется от нескольких деся тых до нескольких пикофарад для диодов разных типов; В = 2-1-3 —
114
постоянная величина, обратная контактной разности потенциалов; |
|
_ (V2 — для |
точечных диодов, |
а — \Vз — для |
плоскостных диодов. |
Формула (4.1) остается справедливой при изменении частоты при ложенного напряжения вплоть до коротковолновой части сантимет рового диапазона. При усилении сигналов с длиной волны короче ~ 2 см начинают сказываться конечные размеры р-п перехода. Прак тически это проявляется в потере воспроизводимости параметров усилителей от образца к образцу. Поэтому при проектировании полу проводниковых параметрических уси лителей в коротковолновой части сан тиметрового диапазона ив миллимет-» ровом диапазоне необходимо учиты* вать распределенные параметры па раметрических диодов.
'Kunhejri
проходной
Керамический
патрон
Металли ческам пружина.
Колупро8о8ник8-
8ая пласт ина ^ ч Ниппель глухой.
Рис. 4.3 |
Рис. 4.4 |
Рассмотрим принцип действия параметрического усилителя. Про цесс преобразования энергии колебания генератора накачки в энер гию принимаемого сигнала можно рассмотреть на примере простейшей
схемы параметрического усилителя, которая изображена на рис. 4.5, а. В этой схеме источник тока усиливаемого сигнала гх = / х sin (со^ -К -f <рх) соединен параллельно с колебательным контуром LK1, Ск1,
115
настроенным на частоту соъ и эквивалентной проводимостью g 3l =
= g i+ g iu + & n . гДе §i — проводимость источника сигнала, g K1 — про водимость контура и g H— проводимость нагрузки. Начальная ем кость диода устанавливается с помощью источника постоянного на пряжения Е, зашунтированного блокировочным конденсатором Сб. Емкость р-п перехода изменяется с помощью генератора накачки, представленного на схеме источником тока
h = h sin (со ^ + ср2),
включенным параллельно колебательному контуру 1 К2, Ск2, настроен
ному на частоту <о2, и эквивалентной проводимости |
g B2 — g 2 + gK2, |
гДе g 2 — проводимость источника накачки, a g K2 |
— проводимость |
контура. На р-п переходе параметрического диода Д, |
включенного |
||
между контурами, приложена сумма напряжений, т. |
е. |
|
|
ирп = Е 4- Uj (О -|- и2 (0 = Е + |
и г cos (со^ + |
фл) ф |
|
+ U2 cos (a2t + |
ф2). |
|
(4.2) |
Подставляя (4.2) в (4.1) и учитывая, что при работе усилителя сум марное мгновенное значение напряжения на р-п переходе диода от рицательно, т. е.
|
|
|
В [Ц1 it) |
+ ц 2 (t)\ |
< 1 , |
|
|
|
|
|
|
1 + BE |
|
|
|
|
|
с хорошим приближением можно записать |
|
|
||||||
с „ = . с р |
|
В |
Uj (t) -f- |
(О |
Ср [1 +m cos(o)2 / + |
ф2) j . |
(4.3) |
|
|
2 4 - 3 |
1 + В Е |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Здесь введены |
обозначения: |
|
|
в рабочей точке; |
|
|
||
Ср = С (0)/(1 -f |
BE) — емкость диода |
|
|
|||||
^ |
|
________В ! 2________ Сд маис— Сд Мин |
|
|
||||
|
|
(2т- 3) (1 -f- BE) g32 |
Сд макс + Сд мин |
|
|
|||
— коэффициент |
глубины модуляции емкости Сд, величина которого |
|||||||
для современных диодов лежит в интервале 0,3—0,5, и |
учтено, |
что |
||||||
I ui (01 k ild g w |
= |
ил . При этом |
эквивалентная схема |
рассматри |
ваемого параметрического усилителя может быть изображена в виде, показанном на рис. 4.5, б. Эквивалентная емкость р-п перехода пред ставлена на этой схеме параллельным соединением конденсаторов по стоянной емкости Ср и переменной емкости АС (t) = mCv cos (о>2( + + ф2). Общая эквивалентная емкость контура, настроенного на час
тоту сигнала со л, будет |
равна |
Сэ! = Сн1 |
+ Ср + тСpcos (<о21 + ф2) |
= |
Ср [ 1 -j- т' cos (со21-J-ф2)Ь |
116