Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989)

ББК 32,840 Р 64 УДК 621.396.62.029.65 Рецепзецт докт. техн. паук, проф. А. В. Соколов Редакция литературы по рвдиотехяике Розанов Б. А., Розанов С. Б. Р 64 Приемники миллиметровых волн. — Ме Радио и связь, 1989. — 168 сл ил. ! 5В1Ч 5-256-00224-4. Расскатревы приепиики ииллииетрового и смежиай с иим часта субмиллиметрового дпапазаиов воли. Изложеиы прииципы иь работы, осиааы теарпи и методы расчета, асабевиасти п характеристики.

Проавалпзировавы спасители супергстеродиивых приемников па диодах с бар»срам шатки и свсрхпеюаадащих переходах. Даны примеры конструктивных узлов прпеипиков. Рассмотрены методы повыюеиих чувсгвительиости радпапетров. В об»ариев плаие описан» вхадиые устройства. гетеродииы п ВЧ усилители. Дла инженеров п техиикоц праектирующих и асыивающих аппаратуру ииллипетраваго диапазона, а также может быть полезна студеитац и аспирентам радио гехивчесхих специальиостей.

2302020300 — 079 ББК 32.840 18 — 89 Р 046(0! 1 — 89 Производственное издание РОЗАНОВ БОРИС АЛЕКСЕЕВИЧ, РОЗАНОВ СЕРГЕИ БОРИСОВИЧ ПРИЕМНИКИ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН Заведующий редакцией В. Л. С т е р л и г о в Редактор Л. И. Венгре кюк Обложка художнике Н. И. Терехова Художествсииый редактор А. С. Щ и р а к о в Техвпческий редактор И.

Л. Т к а ч е и к а Корректор 3. Г. Галую кп и а ИБ ла И42 Подписаио а печать 81.01.Ю Т-ОРЮО ФоРпат ООХ901ев Бумага тип. Ие 2 Гаркитура летературиап Печать высокая Уел. аеч. л. 10,60 Уел. кр.-отг, 10.Ю Уч.-кзд. л. 12.01 тираж !ОООО ахж Изд. № МЮг Зак. № 182 Г!ева 60 к. Издательство «Радио и связь». 101000 Москва. Пачтаит, а/я 608 Типография издательства Радио п связы . 101000 Москы. ул. Кирове, д. Ео 15В1Ч 5-256-00224-4 © Издательство «Раддо я связь». 1989 ПРЕДИСЛОВИЕ Миллиметровый (ММ, 30 ... 300 ГГц) и субмиллиметровый (СММ, 0,3 ... 3 ТГц) диапазоны радиоволн охватывают область спектра электромагнитных колебаний, пограничную между интенсивно используемым радиодиапазоном сверхвысоких частот (СВЧ) и инфракрасным диапазоном.

Ареной наиболее быстрого освоения является в настоящее время область частот 100 ... 1000 ГГц, которую часто называют областью ближних миллиметровых волн. Большая полоса пропускания линий связи, высокая разрешающая способность радиолокационных систем, реализуемая при малых размерах антенных устройств, возможность наблюдения радиотеплового излучения объектов, а также особенности распространения в атмосфере, плазме и различных средах дают этому участку спектра ряд преимуществ. Поэтому ему уделяется наибольшее внимание в данной книге. Качество приемного устройства, и в первую очередь его чув; ствительность, играет определяющую роль в реализации преимуществ ММ диапазона.

В связи с расширением областей прикладного использования ММ волн потребность в приемниках этого диапазона становится массовой. Техника приема ММ и СММ волн в настоящее время быстро совершенствуется в двух основных направлениях: 1) повышение чувствительности и информационной пропускной способности, продвижение вверх по частоте; 2) разработка конструкций, пригодных для серийного производства и отвечающих разнообразным эксплуатационным требованиям. К исследованиям и разработкам приемников ММ диапазона привлекаются специалисты различного профиля. Все более широко техника ММ волн изучается также студентами и аспирантами.

Для этих читателей обилие новых понятий, методов н устройств, описание которых разбросано по сотням оригинальных работ, содержащих подчас противоречивые суждения, часто является серьезным препятствием для быстрого приобретения необходимой научной н технической эрудиции. В книге делается попытка хотя бы частично удовлетворить их потребность в последовательном изложении методов и техники приема в ММ диапазоне. Для искушенных читателей может представлять интерес прежде всею описание методов расчета смесителей на диодах с барьером Шотки (ДБШ) и сверхпроводящих туннельных переходах. Основное внимание в книге уделяется супергетеродипным приемникам и их наиболее распространенным входным устройствам.

К сожалению, многие другие интересные вопросы приемной техники ММ диапазона рассмотрены в обзорном плане в связи с ограниченным объемом книги. Главы 1 и 2 написаны Б. А. Розановым„гл. 3 — С. Б. Розановым, гл. 4 — авторами совместно. Авторы заранее признательны читателям за возможные замечания по содержанию книги, которые следует направлять в адрес издательства.

БКШ-т БТУ ВАХ ГДГ ДБШ ДСШ ДГК КПД КПУ ЛОВ ЛПД ММ НЕП ППУ РЛС СВЧ СИН СИС СКО СМ СММ СНС СПС ТП ТПУ УВЧ УПЧ ФАП ФНЧ ЧАП ЭДС . масштаб- Связь Сверхширокополосная связь Связь без замираний СПИСОК ИСПОЛЬЗУВМЫХ СОКРАЩЕНИЙ еория — теория Бардина — Купера — Шриффера — усилитель на биполярных транзисторах — вольт-амперная характеристика — генератор на диоде Ганна — диод с барьером Шатки — диод супер-Шатки — джозефсоновский точечный контакт — коэффициент полезного действия — квантовый парамагнитный усилитель — лампа обратной волны — лавинно-пролетный диод — миллиметровый — мощность, эквивалентная шуму (ог английскою ЫЕР— погее ецита!епГ рошег) — полупроводниковый параметрический усилитель — радиолокационная станция — сверхвысокие частоты, сверхвысокочастотный — сверхпроводник — изолятор — нормальный металл — сверхпроводник — изолятор — сверхпроводник — среднеквадратическое отклонение — смеситель — субмиллиметровый — сверхпроводник — нормальный металл — сверх- проводник — сверхпроподиик — полупроводник — сверхпроводник — туннельный переход — транзисторный полевой усилитель — усилитель высокой частоты †усилите промежуточной частоты — фаэовая автоподстройка — фильтр нижних частот — частотная автоподстройка — электродиижущая сила 1.

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРИЕМНИКОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАГ1АЗОНА И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЕ РОЛЬ ПРИЕМНЫХ УСТРОПСТВ В ТЕХНИКЕ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ПРИЕМНИКОВ Назначением приемников ММ диапазона, как и других диапазонов, является выделение информации, переносимой излучением. Этот процесс состоит в преобразовании излучения в форму, воспринимаемую человеком или автоматическими устройствами, позволяющую регистрировать не только сам факт наличия излучения, но и измерять его характеристики: интенсивность, спектр, направление прихдда, поляризацию, изменения амплитуды, частоты, фазы и пр. Во всех областях прикладного и научного использования ММ радиоволн приемное устройство играет существенную роль, а в ряде применений определяет основные характеристики радиоэлектронной системы.

Перечень направлений где применение ММ волн из-за присущих им особенностей перспективно, все более расширяется (1, 21 Эти направления, за немногими исключениями, могут быть отнесены к областям радиолокации, связи иля радиометрии [21 Они перечислены ниже, чтобы характеризовать разнообразие требований, которые могут предъявляться к приемнику ММ волн. Радиолокация Высокоточные радиолокационные измерения Сопровождение целей под малыми углами места РЛС анализа и классификации целей РЛС картографирования местности Скрытные РЛС Радиолокационная астрономия Метеорологическая радиолокация Обнаружение препятствий Дистанционный контроль вибраций Навигационные и посадочные средства РЛС ближнего действия Головки наведения ракет Малогабаритные (носимые) РЛС Измерение характеристик рассеяния объектов методом ною моделирования Радиометрия Прочие области Проемные устрооплдп ММ баян г)яя приема ндагонпгерентныг тгнаяад Аяя яроема ненаеерентнын игнуьеноо — радопметры В игмепотеяьнмг и лабораторном истонаднан с,д сбягнпго толп ыд! Рпдипяаиоцигннат типа с Временные Вяопцоо ссд! Обзор арт пп«стдо ссд! ьентрояьмд таяоз с(д! — супергете- яспольвуемая Связь Земля — Космос Связь с космическими кораблями сквозь слой плазмы Межспутниковая связь Связь через пассивные отражатели Скрытная связь Помехозащищенная связь Радиоастрономия Дистанционный контроль природной среды Контроль загрязнений Обнаружение объектов на фоновых поверхностях Пассивные головки самонаведения ракет Радиосекстанты Медицинская и ветеринарная диагностика Радиоспектроскопия Разогрев и контроль плазмы.

Воздействие на биохимические и биофизические реакции По виду принимаемых сигналов приемники ММ диапазона могут быть разделены на два крупных класса: квазикоаерентиызс колебаний, модулированных .несущими информацию сигналами, и шумовых издуч ний — радегометры (рис. 1.1). С повышением частоты, особенно в СММ диапазоне, когерентные квазидетерминированные сигналы используются все реже, все больший удельный вес приобретают задачи радиометрии, связанные с приемом иекогерентиых, главным образом раднотепловых излучений, и радиометр становится основным типом приемника.

Класс приемников квазиногерентных сигналов отличает от радиометров наличие додетекторных фильтров, в возможной степени согласованных со спектром принимаемых сигналов, и отсутствие длительного последетекторного интегрирования. Внутри зто- Рис. 1„1, Классификация приемных устройств ММ диапазона (С родннная схема, Д вЂ” детекторная схема, в скобках — редко схема) 6 го класса существенно различаются связные и радиолокационные приемники. Группа приемников измерительных и лабораторных установок является смешанной и может содержать как простейшие индикатооы наличия излучения, так и сложные приемные устройства, предназначенные для приема шумовых нли регулярных сигналов (см. рис.

1.1). Радиометры ММ диапазона могут обладать высокой чувствительностью к медленным вариациям интенсивности квазишумо. ваго излучения за счет последетекторного интегрирования сигнала, принимаемого в весьма широкой полосе. Однако полоса последетекторного фильтра ограничивает воспроизводимую на выходе радиометров полосу сигналов, модулирующих излучение. Фазовая информация, которая может содержаться во входном сигнале, радиометром не выделяется.

Требования к информационной пропускной способности и способы реализации радиометров заметно различаются в задачах регистрации временных, пространственных и частотных вариаций интенсивности принимаемого квазишумового излучения. Этому на рис. 1.1 соответствует условное деление класса раднометров на три группы.

К чувствительности приемников ММ волн в большинстве применений предъявляют предельно высокие требования. Это связано, с одной стороны, со слабостью радиотепловых излучений и ограниченным уровнем мощности передатчиков, малой площадью приемных антенн, значительным поглощением ММ волн в атмосфере и, с другой стороны, с высокими требованиями к информационной производительности радиоэлектронных систем этого диапазона. Сравнительно низкий уровень помех в ММ диапазоне позволяет компенсировать недостаток потенциала систем высокой чувствительностью приемных устройств.