|
| |
|
Слаботочка Книги Глава третья МАЛОШУМЯЩИЕ УСИЛИТЕЛИ ДЛЯ РЛС САНТИМЕТРОВЫХ И МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН 3.1. Общие сведения о малошумящих .усилителях РЛС и требования к ним В последнее десятилетие малошумящие усилители (МШУ) СВЧ получили широкое применение, в том числе и в РЛС. МШУ позволяют ценой относительно небольшого усложнения схемы и увеличения размеров и веса аппаратуры существенно повысить чувствительность приемника (снизить коэффициент шума, см. § В.2, В.З) и тем самым увеличить дальность действия РЛС. Это особенно важно для бортовых РЛС, где возможности увеличения мощности передатчика и размеров антенны для повышения дальности часто ограничены заданными весом и размерами аппаратуры. Легко показать, используя формулу (В.15), что относительное увеличение дальности действия за счет снижения коэффициента шума приемника при прочих равных условиях равно Л/Л = У{Ро + i. вых - 1)/(Ру. +«ых - 1). (3.1) где Ду, До, f у s Fo - дальность действия и коэффициент шума приемника с МШУ и без него соответственно (рис. 3.1). Использование МШУ позволяет также при сохранении дальности в несколько раз снизить мощность передатчика, повысив тем самым его надежность, и при этом в ряде случаев (в основном при Ра> 100 кет) получить выигрыш в общем весе аппаратуры РЛС. МШУ СВЧ и их элементам посвящены не только обширная журнальная литература, но и ряд книг, в частности [1-11], где всесторонне рассмотрены вопросы теории, расчета и в ряде случаев проектирования. В данной главе будут рассмотрены только основные характеристики МШУ для РЛС см и мм волн, некоторые особенности их применения, а также элементы расчета и проектирования, при этом внимание будет обращено, главным об- разом, на вопросы, специфичные для МШУ коротковолновых диапазонов СВЧ. В соответствии с § В.4 МШУ СВЧ, предназначенные для РЛС, в общем случае должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Минимальный коэффициент шума (Fy) при достаточном коэффициенте усиления (/Су> 13-15 дб), что необходимо для более полной реализации выигрыша в общем коэффициенте шума (В.Ю) в результате использования МШУ (Fy-Kfyj.  6 а ю Ауг,йг Рис. 3.1. Зависимость относительного увеличения дальностн действия РЛС от снижения ко-эффициента шума приемиика (на величину от Fu до Fyj) в результате иапользавания МШУ: -Т„ -300 °К;-----Г, 2. Достаточная широкополосность при фиксированной настройке. Минимально необходимая полоса пропускания равна А/у=:Л/пер макс 4" А/пч- 3. Максимальная мощность насыщения Р„ас для обеспечения большого динамического диапазона входных си гн ад ОБ А. 4. Малое время восстановления усиления и высокая стабильность характеристик во всех условиях работы. 5. Высокая надежность работы. 6. Малые габариты и вес (включая источники питания). Из известных в настоящее время МШУ СВЧ практическое применение получили следующие малошумящие усилители; квантовые парамагнитные (КПУ), полупроводниковые параметрические (ППУ), усилители на туннельных диодах (УТД), транзисторные (ТУ) и электроннолучевые, подразделяющиеся на электроннолучевые параметрические (ЭЛПУ) « хорошо известные лампы бе-гуией волны (ЛБВ). Из перечисленных типов МШУ в РЛС см и мм волн применяют в качестве МШУ СВЧ в основном только ППУ, УТД и ЛБВ. ТУ, ЭЛПУ и КПУ не используют в РЛС этих диапазонов волн по следующим причинам. Первые являются .экономичными, .малогабаритными, весьма широкополосными и достаточно малошумящими усилителями, имеющи-ми на частотах до 2-3 Ггц коэффициент шума Р„ =47 дб [8]. На более высоких частотах величина Рту возрастает. Вот почему область применения малошумящих ТУ ограничивается в основном диапазоном дециметровых и более длинных волн, где они успешно вытесняют УТД п ЛБВ. ЭЛПУ обладают весьма подходящими для РЛС свойствами и успешно применяются в них на волнах порядка 10 см и длиннее. Однако возможность использования ЭЛПУ на более коротких волнах ограничивается трудностью изготовления СВЧ элементов лампы из-за уменьшения их размеров и, главным образом, из-за практически неприемлемого возрастания размеров и веса магнитной фокусирующей системы ЭЛПУ (обычно соленоид). Последнее обусловлено тем, что для нормальной работы лампы необходимая напряженность магнитного поля соленоида вполне определенна и прямо пропорциональна частоте усиливаемого сигнала (fc). вседствие чего это поле растет с ростом fc [1]. КПУ не имеют ограничений по рабочей частоте и являются самыми малошумящими усилителями СВЧ П-3, И]. Их шумовая температура на см волнах имеет величину порядка Гшу~ 10°К. Однако для достижения столь низких шумов активный элемент КПУ (парамагнитное вещество) необходимо охладить до температуры жидкого гелия -4°К и ниже), что требует использования либо криостатов с периодической залйЗКОЙ жидким Гелием, либо криогенных машин больших размеров и веса (десятки или сотни килограммов), при этом время выхода на режим велико и измеряется часами. Кроме того, КПУ характеризуются относительно узкой полосой пропускания, особенно на мм волнах (обычно меньше 50 Мгц), малой мощностью насыщения (Рнас~ 10н-10~" вт) и большим временем восстановления после насыщения (/в?к IQ--f-Ю-з сек) {1-3, П]. Наконец, весьма низкое значение Гшклу можно полностью использовать для повышения дальности действия, как следует из формулы (3.1), только в том случае, если Гавых< Тшкпу (т. е. если /авых< Pyj;-1). В большинстве же РЛС см и мм волн это условие не выполняется, т. к. у них обычно Га вых-100-=-300 °К (с учетом влияния потерь в элементах антенны и фидерного тракта). Следовательно, сверхмалошумящие свойства КПУ не будут в полной мере реализованы [3]. По изложенным причинам ниже будут рассмотрены только ППУ, УТД и ЛБВ. Их можно считать практически безынерционными усилителями (в~0). Наиболее важными характеристиками этих МШУ являются: коэффициент шума Ру; номинальный коэффициент усиления мощности Ку; полоса пропускания (диапазон рабочих частот) А/у/ температурная стабильность (или нестабильность) коэффициента усиления, характеризующая его изменения при изменении температуры окр/ мощность насыщения Рнас 3.2. Параметрические усилители на полупроводниковых диодах ППУ являются самыми малошумящими усилителями среди всех неохлаждаемых МШУ, что обусловлено отсутствием в ППУ переноса зарядов и связанного с ними дробового шума, который является основным в других типах неохлаждаемых МШУ. Активным элементом ППУ, с помощью которого осуществляется усиление сигнала, является, как известно, нелинейная емкость С (и) полупроводникового диода (см. рис. 1.13,aj, величина которой зависит от приложенного напряжения. Благодаря емкости диода С (и), используемой как элемент резонансной колебательной системы (системы резонаторов), происходит преобразование энергии так называемого генератора накачки (вспомогательного источника СВЧ ко-  След1/ющиа 7*1 каскад Pcim Рис. 3.2. Схема включения регенеративного ДПУ отражательного тина в тракт сигнала с помощью циркулятора. лебаний частоты /п,. напряжение которого npHK/iaUBaet ся к этой емкости) в энергию сигнала частоты /с- Из всех практически используемых разновидностей ППУ [3-10] наиболее подходящим для РЛС см и мм волн по своим характеристикам является двухконтурный ППУ (ДПУ) регенеративного типа. В этом усилителе передача энергии накачкн к сигналу с помощью нелинейной емкости происходит в виде внесения этой емкостью отрицательного сопротивления в контур сигнала, что и обусловливает регенеративный характер процесса усиления. ДПУ работает на отражение с общим входом и выходом и использует поэтому ферритовый циркулятор (см. п. 1.3.4, § 1.5 и [12] для разделения входного и выходного сигналов (рис. 3.2). Входной сигнал Рсвх, подводимый через циркулятор к ДПУ (падающая волна), усиливается в нем, при этом возбуждается отраженная волна сигнала Рсвых, которая в результате усиления превышает падающую в коэффициент усиления раз Рсвых/Рсвх=Кпу. В силу свойств циркулятора мощность Рсвых через плечо 3 циркулятора поступает в следующий каскад (усилитель или смеситель). ППУ, н в частности ДПУ, является одним из типов МШУ, используемым в области более коротковолновых диапазонов СВЧ. В настоящее время они уже созданы и применяются во всем см и длинноволновой части мм диапазона [10-17]. В этих диапазонах волн неохлаждаемые ДПУ имеют следующие параметры (включая потери циркулятора) : Рпу=« 1 -8аб, Киу= 1417дб, Л/пу оО,5-1 %, Pj,a(.= 1-10 мквт. Мощность накачки, которую необходимо подвести к камере ДПУ, в зависимости от частоты /н обычно лежит в пределах от единиц до нескольких десятков милливатт. Используя специальные методы расширения полосы пропускания [4-10], можно увеличить Л/пу о до 5% и более, а применяя глубокое охлаждение диода, существенно уменьшить Рпу [Ю, 15, 18]. Здесь будут рассмотрены только неохлаокдаемые ППУ. Параметрические диоды. Одним из важнейших элементов ППУ, в очень большой степени определяющим их характеристики, является полупроводниковый параметрический диод, работающий в большинстве случаев при отрицательном смещении (Uo). По своей структуре параметрические диоды разделяются на диоды с р-п переходом (п. 1.3.2,а) и диоды с контактом металл - полупроводник, подобные смесительным ТКД и ДБШ (п. 2.2.1.). В настоящее время на коротких см и мм волнах применяют в основном ДБШ как наиболее перспективный тип параметрического диода для этих диапазонов волн. Параметрические диоды выпускаются в корпусах, конструкции которых близки или аналогичны корпусам современных миниатюрных переключательных и смесительных диодов (см. рис. 1.15) [6, 7, 10, 19] и описываются эквивалентной схемой рис. 1.13,6. Основными параметрами параметрических диодов являются [19, 20]: емкость перехода (контакта) при нулевом С(0) или отрицательном C(Uo) смещениях; постоянная времени x(Uo) = C(Uo)Rs, где Rs - эквивалентное последовательное сопротивление потерь диода при смещении Uo{Rs равно сопротивлению г на рис. 1.13,6); напряжение пробоя Uup. Диоды для см волн, выпускаемые серийно, изготавливаются на Ge и GaAs и имеют t/np>4H-10 в, С«0,05-0,5 пф, т<0,75-:-1,2 псек при /7о= -(25) в. Как и смесительные, параметрические диоды характеризуются максимально допустимыми значениями Рнепдош Ридоп И Гпдоп (П. 2.2.3) [19]. Зависимость нелинейной барьерной е.мкости диода от приложенного напряжения и соотношение этих емкостей при двух различных напряжениях выражаются формулами С(0) /1 + «/¥н  (3.2) где q - заряд емкости; м- отрицательное напряжение на емкости перехода (при положительном и перед ним в (3.2) должен быть поставлен знак минус); фк - контактная разность потенцилов оолуправодниковой структуры (для Ge фк яг; 0,2-0,3 в, для GaAs фкг; 1-1,2 в).  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 |