Слаботочка Книги

[0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51

проектирование свч устройств

Современные радиолокационные станции используются для решения чрезвычайно большого круга задач в области народного хозяйства, военной техники и науки - начиная с навигации судов и самолетов и предупреждения их столкновения с препятствиями и кончая прогнозированием погоды и космическими исследованиями методом планетной радиолокации [1]. Многообразие решаемых задач неизбежно связано с большим разнообразием методов построения, технического воплощения и особенностей РЛС различного назначения. Это в полной мере относится и к радиолокационным приемникам, являющимся неотъемлемой и одной из важнейших частей любой РЛС. Однако, при всем разнообразии требований, схем и конструкций приемников имеется ряд методов построения функциональных узлов и элементов и технических решений для них, которые в тех или иных вариантах чаще всего используются, являются характерными и основополагающими для построения более сложных радиолокационных приемных устройств. Исходя из этого в книге будут изложены вопросы проектирования только наиболее распространенных и типичных СВЧ устройств* (СВЧУ) и их элементов для радиолокационных приемников.

Из-за весьма большого числа подвижных объектов, оборудуемых в настоящее время радиолокационной аппаратурой, в наибольших количествах выпускают и применяют нестационарные наземные и бортовые РЛС, устанавливаемые на автомашинах, судах, летательных аппаратах и других носителях, которые в большинстве

** В ранней технике радиолокации, когда эти устройства имели простую схему и выполнялись в виде конструктивно единого узла, их называли радиочастотной головкой (РЧГ) или высокочастотной головкой (ВЧГ). Такие названии часто применяют и теперь. Однако СВЧ устройство современного малошумящего радиолокационного приемника нередко выполняют в виде отдельного блока илн даже отдельных блоков и узлов, поэтому названия РЧГ И 6ЧГ D общем случае ис являются подходящими.



случаев работают на сантиметровых (см) волнах диапазона СВЧ. Кроме того, существует тенденция к более широкому использованию радиоаппаратуры и, в частности, РЛС миллиметрового (мм) диапазона волн, которые обеспечивают высокую разрешающую способность при малых размерах антенн. СВЧУ сантиметровых волн, особенно коротких, еще часто создают на объемных волно-водных элементах (как правило, прямоугольного поперечного сечения). На мм волнах волноводы применяют почти повсеместно. По указанным причинам, учитывая ограниченный объем книги, в ней будут рассмотрены вопросы проектирования СВЧУ см и мм диапазонов волн в основном на примере волноводных конструкций. Поэтому в дальнейшем мы будем без специальных оговорок называть СВЧ узлы и элементы волноводными. Тем не менее большая часть материала книги в равной степени пригодна и для проектирования СВЧУ, использующих другие типы линий передачи: коаксиальные, полосковые, микрополосковые.

Заметим, что в настоящее время проводятся интенсивные исследования и разработки миниатюрных СВЧ устройств на микрополосковых линиях передачи (так называемые интегральные СВЧ схемы) [2,3]. К их применению в РЛС см волн уже приступают. Исследование микрополосковых элементов мм диапазона еще голь)<о начинается. Специфические вопросы проектирования подобных устройств являются предметом специального рассмотрения и выходят за рамки этой книги.

В.2. Коэффициент шума и чувствительность приемника

Радиолокационные приемники предназначены для приема сигналов, отраженных от объектов, подлежащих радиолокационному обнаружению, и наблюдению. Чем более слабый по мощности сигнал может быть принят приемником, т. е. обнаружен на его выходе, тем выше чувствительность приемника, которая является его важнейшей характеристикой, определяющей дальность действия радиолокатора. Как известно, чувствительность приемника зависит от уровня шумов на его выходе. Источниками .этих шумов являются шумы, поступающие из антенно-фидерного тракта, и шумы, возникающие в самом приемнике и проходящие на его выход. Как правило, последние вносят основной вклад в выходные шумы 12

Приемника. Для оценки величины собственных шумов . приемника и отдельных его каскадов пользуются шумовыми параметрами - коэффициентом шума или шумовой температурой Гш. В литературе шумовую температуру называют также эффективной или эквивалентной шумовой температурой [4, 5, 7].

Определения коэффициента шума и шумовой температуры, их физический смысл и вывод формул для расчета этих параметров детально рассмотрены в учебной и технической литературе, в частности, в книгах [4-9]. Поэтому здесь мы приведем только основные соотношения для их расчета.

Коэффициент шу.ма линейного шумящего четырехполюсника (например, волноводного элемента, усилителя, смесителя, линейной части приемника) равен

F = Pui вых/Рщ вхК= (Рт вхКРт вых соб)/ш вхК -

- I -f- Рт вых соб1Рт вхК= 1 -\-Рт вх а/Рт вх, (В. 1)

где Ртвх - мощность шумов, поступающих от источника сигнала на вход четырехполюсника на частоте сигнала; Яш вых -суммарная мощность шумов на выходе четырехполюсника, обусловленная как собственными (внутренними) источниками шума, так и внешними шумами, поступающими на его вход; Ршвыхсоб - часть полной мощности шумов на выходе, которая обусловлена только собственными шумами четырехполюсника; Рщвхэ- = Ршвыхсоб/К - эквивалентная мощность собственных шумов четырехполюсника, приведенная к его входу; К - коэффициент передачи (усиления) четырехполюсника по мощности.

Результат расчета коэффициента шума по формуле (В.1) не зависит от того, какие значения величин Рт и К будут использованы -фактические или номинальные. важно только, чтобы все эти величины ыли одинаково определены. Напомним, что номинальной мощностью источника (генератора, антенны, выхода усилителя) называется наибольшая мощность, которую этот источник передает в согласованную нагрузку (при этом полные сопротивления источника и нагрузки являются комплексно сопряженными величинами). Номинальный коэффициент передачи (усиления) мощности четырехполюсника равен отношению номинальных мощностей на его выхо* де и входе, т. е. Кя = Рвыхп/Рвхн. При практических расчетах F удобнее пользоваться номинальными значения-



ми величин Ршн и /Сн, причем, даже в тех случаях, когда в действительности согласование сопротивлений на входе и выходе четырехполюсника отсутствует. При этом следует иметь в виду, что как Рвых н и соответственно Кн, так и коэффициент шума четырехполюсника зависят от его согласования по входу.

Величина коэффициента шума, как видно из (В.1), зависит также от мощности шумов, поступающих на вход четырехполюсника от источника сигнала. Наиболее распространенным значением Ршвх, принимаемым для .расчета и измерения F, является номинальная мощность шумов источника сигнала, находящегося при стандартной (комнатной) температуре Го = 293°;К, равная

kToAfni. (В.2)

Здесь =1,38-10-23 ,5ж/г/7а(3 -постоянная Больцмана; А/ш - эквивалентная шумовая полоса* четырехполюсника, равная ширине основания эквивалентного прямоугольника, имеющего ту же площадь, что и реальная амплитудно-частотная характеристика, и высоту, равную коэффициенту передачи четырехполюсника на центральной частоте. Коэффициент шума, соответствующий величине Ршвхн, называется стандартным (или комнатным) коэффициентом шума, который далее будет называться просто коэффициентом шума. Заметим и подчеркнем, что под мощностью Ршвхн, учитывасмой формулой (B.I), понимается только та часть мощности входных шумов, которая поступает на вход четырехполюсника по каналу принимаемого сигнала в полосе Д/ш. Если в реальном случае шумы источника сигнала поступают на вход четырехполюсника также и по побочным, вредным каналам приема (например, зеркальный канал приема в супергетеродинном приемнике), то мощность таких побочных шумов величиной Ршвхн НС учитывастся, а только добавляется к собственным шумам четырехполюсника, т. е. включает1ся в величину Ршвыхсоб или Ршехэ, что, разумеется, приводит к возрастанию их значений и, следовательно, к возрастанию коэффициента шума (подробнее см. § В.З) {4, II, 12].

lio аналогии с (В.2) величину Ршвхэ можно представить в виде:

ш вх э = ГшАГш. (В.З)

* в дальнейшем для краткости fщ будем называть просто шумовой полосоц,

f огда коэффициент шума равен

F=l+Pm вхэ/7оД/ш= 1 + Тш/То= I -Ь/ш, (В.4)

где /ш=?ш/7о - относительная шумовая температура. Из (В.4) получаем

Тш=(Р-1)То, t=F-l. (В.5)

Величины F и tm являются безразмерными шумовыми характеристиками, отличаются друг от друга на единицу и количественно выражаются безразмерным числом. Шумовая температура Тш выражается в градусах Кельвина. На практике коэффициент шума чаще оценивается не в единицах, а в децибелах, т. е. F(d6) = = lO\gF{ed).

Как видно из (В.4), минимальное значение F, соответствующее идеальному, нешумящему четырехполюснику (каскаду, приемнику), равно 1 (О дб). Характерными величинами F для современных супергетеродинных приемников см и мм волн являются F« 1-20 дб (Гш~ «100-ьЗО 000°К [2].

Заметим, что при практических расчетах коэффициента шума и шумовых мощностей в супергетеродинных приемниках СВЧ и его входных элементах и каскадах во многих случаях можно принять

А/ш-Ди (В.б)

где А/пч-полоса пропускания тракта промежуточной частоты (ПЧ) по уровню 3 дб. Это обусловлено тем, что полоса пропускания элементов СВЧ, как правило, много больше А/пч, вследствие чего коэффициент передачи (усиления) этих элементов можно считать приблизительно постоянным в пределах полосы пропускания УПЧ. Следовательно, мощность шума, достигающего выхода УПЧ, определяется амплитудно-частотной характеристикой последнего. А для УПЧ, являющегося многоконтурным усилителем, как известно, Д/ш«А/пч [4, 5].

Из формул (B.I) - (В.4) видно, что рассмотренный коэффициент шума является шумовой характеристикой, усредненной в некоторой полосе частот Afm, в частности в полосе частот тракта ПЧ при использовании соотношения (В.б). Такой коэффициент шума называется интегральным в отличие от дифференциального коэффициента шума, определяемого на заданной частоте по формулам (B.I), (В.4) при Д/ш---О [7, И]. Следовательно,




[0] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51
Яндекс.Метрика