Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989), страница 5

Учитывая, что относительная нестабильность всех названных параметров одинаково влияет на регистрируемые отсчеты хь будем относить всю нестабильность на счет Кр. Тогда малое случайное отклонение ЛКр дает дополнительный вклад в решающую статистику Х [431: ЛХ=ЛКр(дХ/дКр) = (пЛТ/Т,) (ЛКр/К ). (1.26)' Здесь производная дХ/дКр получена лифференцированием (1.23) по Кр. Дифференцируются лишь множители Кр, входящие в экспериментально наблюдаемые значения хп явно присутствующие в (1.23) значения Кр являются фиксированными параметрами алгоритма вычисления решающей статистики.

Случайное отклонение ЛКр считается постоянным за время накопления. Суммируя (ЛХ)е с дисперсией !)Х, из условия Х1 — Хо=)гбХ+ + (ЛХ) ' или и (ЛТ/Тсо) ' = [п (ЛТ/Тсо) '+ па(ЛТ/Тсо) '(ЛКр/Кр) ~~!"а находим флуктуационную чувствительность ЛТ ~п=Т о) 1/(Пэгн)+ (ЛКр/Кр)'. (1.27) При больших значениях П,!„часто используемых на практике, второе слагаемое под корнем может на несколько порядков превосходить первое н определять ЛТ ао Вывод выражения (1.27) предполагает случайное отклонение ЛКр квазистационарным. В действительности спектр мощности флуктуаций коэффициента передачи радиометрической системы Я(/) сосредоточен в низкочастотной области, верхняя граница которой обычно не превышает 100 Гц.

Поэтому возможна периодическая калибровка ралиометрпческих системы эталонными сигналами. В качестве последних обычно используют шумовые сигналы со спектром, подобным спектру принимаемого сигнала, что лает возможность не измерять параметры Кр, Т.о, По а раздельно„а только получать текущук оценку нулевого уровня, соответствующего гипотезе Но, для обнаружения радиотепловых контрастов и масштабного множителя для их измерения. Первая из этих оценок требует калибровки по эталонному источнику с температурой Т„близкой к Тяо, вторая — калибровки по лвум источникам с эталонной разностью температур ЛТ,.

Влияние периодической калибровки на флуктуационную чувствительность радиометра поясним с помощью соотношения Х4 — Хо=)~ОХ+(ЛХ)'. В выражении (1.27) (ЛКр/Кр)а представляет априорную неопределенность коэффициента передачи ралиометрической системы. Используя для вычисления решающей статистики взамен априорного значения коэффициента передачи его текущую оценку, величину второго слагаемого под корнем можно уменьшить. Ошибка ЛХ и этом случае содержит три составляющие: 1) флуктуационную ЛХе, связанную с ограниченным отношением сигнал-шум при калибровке (эта ошибка уменьшается с увеличением времени накопления калибровочно- 21 Тв блица 1.1. Хврвнтернстиин выпрямляюших детекторов (высшвя частота модуляции до десятков гигагерц) Рабачия Ииа- иаааи вали Х, ми тия детектора, рабочее асмиарагура Вальт-вассиан чувствительность, НВП.

Вт.тя 7 Вувг Литсратуримя исгачаиа Точечно есонтвктный [ТКД), металл-получьроводннк, 7=290 К [33] 0.1...1 2...3 О,! ° ..0,5 2...3 1,7...3,3 2.10 — а... ...3.10 — аа щ — ы ... !Π— аа и ...!о— 10-а'... 10 — ат 3. Ьз —" [з71 [33] [37] [33) ДБШ, Т=290 К 0,4...10 200...2300 5-1Оа Джооефсонсвскнй точечный контакт ЫЬ вЂ” )ЧЬ. Т.н4 К Квеэнчясоичный туннелвный переход сверхпроионпих — юолятор— сверхпроволвик, Т 1 ... ...2 К Переход сверипроводних — полупроводник (диод отпер-Шатии), Т 1 К 1Оа...

10а 2 10 2,ГО ]а [112] 4...8 10...30 5 10 — аа [1211 еыирямляюи]его типа, в которых благодаря нелинейности вольтамперных характеристик создаваемое падающим излучением высокочастотное напряжение приводит к появлению постоянной составляющей тока, воспроизводящей изменения мощности излучения; тепловые, регистрирующие с помощью чувствительного термометра, обычно имеющего электрический выход, повышение температуры, вызванное поглощением падающего излучения; фотонные (квантовые), реагирующие на падающее излучение увеличением проводимости; последнее в ИК и СММ диапазонах происходит за счет увеличения собственной или примесной проводимости при освобождении носителей заряда квантами падающего излучения, сообщающими им энергию, достаточную для преодоления некоторого потенциального барьера; в ММ диапазоне, где энергия кванта невелика, используется эффект разогрева электронного газа в полупроводнике падающим излучением.

Практически используемые типы детекторов, относящихся к первой и второй группам, и их основные характеристики отражены в табл. 1.1 и 1.2. Укаэанная в таблицах высшая частота модуляции определяет полосу, в которой детектор данного типа может воспринимать сигналы, модулирующие излучение. Фотонные детекторы в ММ диапазоне представлены только фо.тодетекторами на основе и-!п5Ь, работающими при гелиевых температурах. Диапазон их чувствительности Лж0,3...4 мм, максимальная чувствительность наблюдается вблизи Л-1 мм, Высшая частота модуляции при Т=4„2 К составляет около 3 ...

5 МГц Таблица 1.2. Характеристики тепловых детекторов [33] Вмсшая частота иуивн . гп тии яс р . Раб я температура Вальт-ваттивя неп. в .гя !1т масть, В/Вт 10а...1Оа 10 !Юа...10а 10 †0,01...3 0.01...1 0,01...3 0,01...3 0,01. ° .3 ячейка Говея, Т= 290 К Пироэлентричесний, 7=сап К До 20 До !ОО (до 10а нри ведении чувствитель- ности) До 200 10а...!Оа Полупроводниковый болометр, Т 1,2 ... ... 4 К Полупроводниковый бе-болометр, Т 0,3 К Сверхлронодящий бо- лоыетр (ня грани сеерхпроводимосри), Т='1Д ...4 К До (3 — 5) 10™ До 1Оа До 200 До 10т До 10-ы До 1О' До 2.10-аа и падает при увеличении температуры. В силу низкого сопротивления кристалла из и-1п5Ь (несколько десятков ом) для согласования с последующим видеоусилителем применяется повышающий трансформатор, тщательно энранированный от магнитных паводок и помещенный в жидкий гелий вместе с детектором длн уменьшения тепловых.

шумов потерь. Применение трансформатора сужает полосу приемника для частот модуляции. Сопротивление кристалла может быть увеличено внешним магнитным полем, что, однако, требует более глубокого охлаждения кристалла (Т~2 К). Повысить выходное сопротивление кристалла можно также за счет его высоной чистоты и специальной формы, что позволяет без трансформатора согласовать его со входом малошумящего транзисторного усилителя.

Достигнутая чувствительность фотоприемников на и-1п5Ь характеризуется НЕП=(4...6)-10-" Вт Гц — пт на Л=1 мм. Из трех рассмотренных классов детекторов в настоящее время в ММ диапазоне в силу своей простоты наибольшую роль нг авыпрямляющие детекторы стачечным контактом металл-полу- Р проводник (5],Ое, ОаЛз) и планарные диоды с барьером Шоти ЙВ!пь П от и (Д Ш). Преимущество первых — возможность согласования с источником сигнала без внешнего смещения, а вторых — меньшие шумы и паразитная емкость, малая инерционность, большая кртизн . О а. Однако для их согласования с источником сигнала обычно ру требуется внешнее прямое смещение, источник которого вносит жет добавочные шумы.

Входное сопротивление детектора на ДБШ быть уменьшено В двухполупериодном детекторе [52]. Малая мовысо сота барьера, позволяющая работать без смещения, может быть получена в диодах на основе сильно легированного кремния и металлов с низким барьером — палладия, платины, гафния [531. Экспериментальное измерение чувствительности детекторов на сотс 27 вых и корпусных ДБШ из баАз показало, что они могут обеспечить НЕП порядка 10-н ...

10-" Вт Гц — н' в режиме с внешним смещением, что совпадает с пороговой чувствительностью радио- метров на кремниевых точечно-контактных детекторах [37, 50]. 2. ДИОДНЫЕ СМЕСИТЕЛИ СУПЕРГЕТЕРОДИННЫХ ПРИЕМНИКОВ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА 2гп ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ Теоретический анализ процессов в СВЧ полупроводниковых смесителях на протяжении ряда десятилетий после начала их практического применения проводился с использованием многих упрощающих предположений [36, 55 н др.].

Важнейшие из них— пренебрежение нелинейностью емкости перехода, допущение о гармонической форме напряжения на диоде, учет только комбинационных частот низшего порядка, упрощенная аппроксимация вольт-амперных характеристик диода, идеализированное представление нагрузок на гармониках гетеродина и комбинационных частотах. Результаты теоретического анализа при этом давали качественное объяснение некоторых экспериментально наблюдаемых зависимостей. Расчетные характеристики смесителя могли служить лишь потенциально достижимыми оценками экспериментальных данных, получаемых в точке оптимальной настройки.

Только в середине 70-х годов, с использованием численных методов, на ЭВМ были впервые рассчитаны зависимости характеристик смесителя от изменения его конструктивных параметров [56, 57]. При этом учитывалось большинство факторов„которыми ранее пренебрегали. Полученные расчетные зависимости в большинстве точек обладали хорошим согласием с соответствующими экспериментальными данными. Это убедительно свидетельствовало об адекватности использованной теоретической модели реальным явлениям в смесителе. В результате ряда усовершенствований методов расчета [51, 58, 59] и разработки соответствующих программ в настоящее время на ЭВМ могут анализироваться характеристики смесителей с волноводными камерами простых конфигураций и заданными конструктивными параметрами.

Варьируя эти параметры и режимы работы диода, можно производить расчетную оптимизацию смесителя. Ниже рассматривается теоретическая модель наиболее распространенной конструкции волноводного диодного смесителя миллиметрового диапазона, позволяющая рассчитать с помощью ЭВМ потери преобразования, входной и выходной импедансы и экви- 28 валентную шумовую температуру смесителя. Основными этапами расчета являются: составление эквивалентной схемы диодавсмесительной камере, расчетное или основанное на физическом моделировании определение ее параметров; нелинейный анализ смесителя при воздействии на диод гетеродинной мощности; расчет передаточных и импедансных характеристик смесителя для сигналов малой мощности (линейный анализ); расчет шумовых характеристик.