Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989), страница 2

В то же время возможности снигкения шумов приемников ММ и СММ диапазонов ограничены так называемым квантовым пределом чувствительности (см. $1.2). Наиболее распространены в ММ и СММ диапазонах схемы супергетеродинного приемника со смесителем на входе н детекторного приемника (рис. 1.2). Первая из них играет в настоящее время наиболее важную роль не только в ММ, но и в СММ диа- Рис. 12. Структурные схемы детекторного (о) и супергетеродипиото (б) при- 7 пазонах.

При достаточной простоте она позволяет реализовать высокую чувствительность, широкую информационную полосу и оптимальную фильтрацию квазикогереитных сигналов. Детекторные приемники с различными чувствительными элементами в настоящее время применяют преимущественно в измерительных установках. Использование смесителей и детекторов в роли первых каскадов приемников ММ волн остро поставило задачу снижения их шумов и потерь преобразования. Наряду с оптимизацией конструкции, совершенствованием технологии изготовления и применением глубокого охлаждения традиционных чувствительных элементов ведутся исследования чувствительных элементов, основанных на новых физических приципах. Рекордная чувствительность в коротковолновой части ММ диапазона получена при использовании на входе супергетеродинного приемника смесителей на нелинейных сверхпроводящих переходах.

Такие смесители уже эксплуатируются на ряде радиотелескопов [1121. Несколько медленнее, но неуклонно происходит развитие и малошумящих усилителей ММ диапазона, которые уже с 60-х голов практически используются в длинноволиовой части ММ диапазона [191. На уникальных лабораторных образцах квантовых парамагнитных и полупроводниковых параметрических (ППУ) усилителей на частотах до 100 ГГц достигнуты значения шумовых температур, лучшие, чем для приемников с диодными смесителями на входе. Олнако этн усилители вместе с генераторами накачки и криогеяными установками по своей сложности еще неудобны для практической эксплуатации [20, 21, 22!.

Быстро совершенствуются СВЧ усилители на полевых транзисторах и транзисторах с высокой подвижностью электронов [23, 26, 27, 301. Как при комнатной температуре, так н при глубоком охлаждении по шумам они успешно конкурируют с ППУ. Верхняя граница частотного диапазона этих транзисторов быстро продвигается в область все более коротких ММ волн, где они могут применяться в качестве УВЧ, смесителей и гетеродинов [24, 25, 281. В связи с тем, что развитие малошумящих усилителей ММ диапазона еще далеко от завершения, вопрос об их наиболее перспективных типах и целесообразности применения перед мало- шумящими смесителями супергетеродииных приемников ММ диапазона остается в настоящее время открытым. Заслуживают пристального внимания принципиально новые возможности построения приемников ММ и СММ диапазонов на основе высоковозбужденных атомов, находящихся в так называемых ридберговских состояниях с гигантскими электронными орбитами, сравнимыми по диаметру с длиной волны, которые могут совмещать функции антенн и приемников квантов излучения ММ и СММ диапазонов [3!, 32).

В целом в течение последнего лесятилетия чувствительность приемников ММ волн улучшилась примерно на порядок и приблизилась к уровню, достигнутому в СВЧ диапазоне [3!. в В связи с расширением областей прикладного использования всех участков ММ диапазона потребность в приемниках этого диапазона становится массовой. Поэтому другим важным направлением развития приемной техники ММ диапазона является разработка конструкций, пригодных лля серийного производства. Развитие элементной базы, и в частности создание твердотельных гетеродинов [4, 121, позволяет во всем ММ и части СММ диапазона создавать высокочувствительные полностью твердотельные приемники, пригодные для серийного производства [13, 14, 151 и охлаждения микрокриогенными установками [16, 17). Ь2. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ПРИЕМНИКОВ МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛН Под чувствительностью приемника любого диапазона понимают его способность принимать слабые сигналы.

Количественно чувствительность определяется как минимальная мощность сигнала на входе, обеспечивающая заданное качество его выделения из шумов на выходе приемника. Вид измерительного сигнала и его параметры при этом выбирают типичными для данного приемника. Предполагается, что шумы на выходе создаются только внутренними шумами самого приемника либо в них дополнительно включают шумы, поступающие на вход от приемной антенны, работающей в определенных условиях. Конкретные определения чувствительности могут значительно отличаться. Рассмотрим их для основных типов приемников, используемых в ММ диапазоне волн.

Супергетеродиниые приемники. Для приемников с большим высокочастотным (додстекторным) усилением, в которых шумы, создаваемые детектором, пренебрежимо малы по сравнению с усиленными шумами линейных каскадов, принято определять предельную (пороговую) чувствительность Р,р, как номинальную мощность источника входного сигнала с заданным выходным сопротивлением (обычно равным выходному сопротивлению приемной антенны), при которой мощность сигнала на выходе линейной части приемника равна мощности шума. В состав последнего при этом включаются шумы антенны и приемника. Это определение применимо к супергетеродинным приемникам ММ диапазона, где до детектора обеспечивается большое усиление на промежуточной частоте. Если в пределах полосы усиления энергетический спектр внешних и внутренних шумов является равномерным, линейная часть приемника может характеризоваться эквивалентной шумовой полосои Пэ= (Ъ УКРО) ~ КР(0г([~ (!.1) о где Кр()) — частотная зависимость коэффициента усиления мощности; Кар — его зиачсиис иа некоторой характерной частоте 7о, например на центральной частоте полосы.

При этом могут 9 быть введены понятия эквивалентной шумовой температуры приемной антенны Т», рассматриваемой как некоторый шумящий двухполюсник, и эквивалентной шумовой температуры высокочастотной части приемника т „представляемой линейным четырехполюсником с полосой П,. Для антенн т» определяется как абсолютная температура выходного сопротивления, антенны х»« «)г»+)Х» (рис. 1.3), при которой номинальная мощность его теплового шума равна номинальной мощности шума на выходе приемной антенны в условиях, заданных для измерения чувствительности. Для тепловых шумов активных сопротивлений будем вначале пользоваться формулой Найквнста в классическом приближении Рэлея †Джин.

Тогда при нулевой абсолютной температуре сопротивления /с» и схеме рис. 1.3 выходной измеритель мощности будет регистрировать только мощность внутреннего шума линейной части приемника, соответствуюшую нагружению входа импедансом Я». Абсолютная температура, до которой надо нагреть /г», чтобы за счет его тепловых шумов мощность на выходе линейной части приемника удвоилась, называется эквивалентной шумовой температурой приемника т„р. Эквивалентная шумовая температура системы антенна — приемник может быть аналогично определена как абсолютная температура сопротивления Й», при которой мощность его тепловых шумов на выходе линейной части приемника равна мощности, создаваемой на этом выходе шумами антенны и приемника, В приближении Рэлея — Джинса, когда мошность теплового шума пропорциональна температуре, т,=т»+т~.

, [1.2) К привезенным определепиям необходимы следующие замечания. 1. Условие комплексио-сопряженного согласования выходного сопротивления антенны 2» с входным сопротивлением приемника х,нор пе является обязательным. Рассогласование может быть преднамерепиым (нэпрюзер, в целях досрижеппя минимума Т„р) илм случайным, Существенно, чтобы определения ТА и Т,р относились к значениям ЯА и Е,д р, соответствующим реальной системе антенна — прнюмнпк, поскольку пэменепия ЯА и Хв ор могут изменить гевмзенно пшенно тфонне т »ннеенно Рпс.

1.3. К определению эквивалентной шумовой температуры антенны и при- емпзка: струптурэая (а) н эквивалентная (б) схемы 1О чувствительность. Часто, пренебрегая этим, полагают ХА=Я в.ор=Ео — волновому сопротивлению тракта между антенной и приемником. 2. При условии И/)ИТ, которое часто выполняется в диапазоне ММ волн, приближение Рэлея — Джинса для излучения черного тела может давать больную ошибку.

В этих случаях необходимо пользоваться полной квантово-механической формулой для среднего квадрата ЭДС генератора, эквивалентного тепловому шуму сопротивления при температуре Т: Ее«=4йПв[И/о/(ехр(Д/о/ИТ) — 1)+И/о/2) =4ИТР(к) КП,= -2ИТЯП,к с(К(кЯ, (1.з) где если / — в гигагерцах. К сожалению, с учетом (1.3), (1.4) выражение (1.2) и рид других простых аддитивных соотношений для эквивалентных шумовых температур, широко иопользуемых в диапазонах более длинных волн, теряют свою справедливость. В частности, Тв оказывается связанной с ТА и Т„р трансцендентным уравне- нием (1.6) Твр(ко) =ТАР(к») +Т рР(хор) где хв,, р=х) т-т, т, т с' »' яр Поскольку это затрудняет расчеты, и [38) обсуждается возможпость сохранить адпитивность, формально определив Т'=Тр(к).

При этом пз (1.6) по- ЛУЧИМ Т'о Т'А+Т'ор. Однако температуры со шприхом уже не выражаются линейно через соответствующие приращения физической температуры внутреннего сопротивления источника сигнала. Таким образом ковос определение, упрощая расчетные сеютиошепмя, вызывает трудности физической мнтерпретации и измерении. Ниже воспользуемся им тольхо в выражении (1.9).