Файл: Радиоприемные устройства учебник..pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 14.10.2024

Просмотров: 296

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

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-

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