Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн (1989) (1095357), страница 29
Текст из файла (страница 29)
Прн У,=1 мВ и температуре Т=4,2 К для сигнала с частотой 300 ГГц НЕП=2.10-" Вт/Гцыг. Вследствие больших трудностей изготовления стабильных контактов с высокими значениями )7я и У, достигнутые в ММ диапазоне значения НЕП составляют 1О-" ... 3. 10-'а Вт/Гцы' 1115, 124]. Подробно практические схемы джозефсоновских детекторов и их характеристики в различных режимах работы рассмотрены в 1124].
З.а. д)кОЗеФЕОНОВские смесители СМЕСИТЕЛИ С САМОНАКАЧКОЙ Существование в джозефсоновских )(ереходах собственной генерации с частотой й=2((У/й открывает возможность создания смесителей без внешнего гетеродина — так называемых смесителей с самонакачкой, легко перестраиваемых по частоте простым 141 изменением напряжения на переходе. Как следует из (3.76), в линейном отклике джозефсоновского перехода при частоте его собственной генерации ()=в~но и наличии малого сигнала Т„з(пго1 появляется компонента с частотой ыо„что позволяет использовать такой переход как смеситель. Эффективность преобразования смесителя с самонакачкой определяется коэффициентами Хр „, р, соответствующими т=~1. Оптимальный режим джозефсоновского смесителя с самона- качкой достигается при малом уровне тепловых шумов (тт«1). когда коэффициенты Хр о, Е„р имеют острую резонансную особенность в точке го=41.
(Смеситель в этом случае близок по свойствам к селективному джозефсоновскому детектору.) Расчеты с использованием резистивной модели показывают, что при оптимальном согласовании смеситель может усиливать внешний сигнал, и коэффициент усиления за счет эффекта регенерации в принципе может быть бесконечно большим. Минимальная двух- полосная шумовая температура джозефсоновского смесителя с самонакачкой (3.82) 18 (го)ы,)о Т пРи ы ~ ыо оказывается очень малой [116).
В [1391 было высказано предположение о том, что при определенных условиях в двухполосном режиме джозефсоновский смеситель с самонакачкой может иметь шумовую температуру меньше квантового предела Во/й. Существенный недостаток смесителей с самонакачкой — значительная ширина линии джозефсоновской генерации Ьй = 2ут~о„ ограничивающая разрешение приемника по частоте.
Уменьшение ширины линии генерации возможно при использовании цепочек синхронизированных джозефсоновских переходов (для .Ч контактов Ьйл=й(1/Ж). Достигнутые в ММ диапазоне значения шумовой температуры смесителей с самонакачкой — около 500 К вЂ” оказываются пока значительно выше оценки (3.82), Основная причина этого — трудность согласования с источником сигнала низкоомных джозефсоновских переходов, имеющих малые значения ут Ц!„требуемые для оптимального режима работы смесителя.
ДЖОЗЕФСОНОВСКИЕ СМЕСИТЕЛИ С ВНЕШНЕИ НАКАЧКОЙ Сильная нелинейность джозефсоновского перехода, приводящая к появлению на его ВАХ ступенек тока при наличии высокочастотного тока внешнего источника, может быть использована для создания джозефсоновских смесителей с внешним гетеродином. Подобно квазичастичным смесителям, рассмотренным в $3.4, эти смесители могут усиливать сигнал при преобразовании на промежуточную частоту за счет сложной немгновенной связи джозефсоновского тока с напряжением на переходе (см. (3.73), 142 (3.74)), в результате чего смеситель становится невзаимнымустройством. При анализе джозефсоновского смесителя приходится решать те же задачи, что и для смесителей на ДБШ и квазичастичных смесителей.
Однако до настоящего времени нелинейная задача о нахождении формы напряжения на переходе и тока через него под воздействием гетеродина с учетом его высших гармоник не решена из-за больших вычислительных трудностей. Наиболее полный анализ [156] основан на резистивной модели перехода и учитывает комплексные сопротивления внешней цепи только на частотах о„аю и ыо при но«оо,. Для остальных частот внешняя цепь предполагается разомкнутой, что соответствует гармоническому току гетеродина через переход (трехчастотная модель).
Тепловые шумы шунтируюшего джозефсоновский ток сопротивления Ял играют существенную роль прн определении матрицы проводимостей джозефсоновского смесителя. В отличие от диод- ного и квазичастичного смесителей здесь флуктуационный ток Тл(1) должен непосредственно включаться в уравнение динамики джозефсоновского перехода (3.74). Это сильно осложняет расчеты. Анализ оптимальных режимов смесителей [155, 156) показал, что наибольшая эффективность преобразования сигнала достигается при напряжении смещения 17, лежащем примерно посередине между нулевой и первой ступеньками тока на динамической ВАХ: (7аоу Ьы~/4д.
Между ступеньками с большими номерами и эффективность преобразования смесителя уменьшается (см. рис. 3.23). Оптимальной мощности гетеродина соответствует подавление критического тока перехода 7, на 50... 80о . При этом Р,ж =То Ри/8; для перехода с У,=1 мВ н )гл=50 Ом получаем Р„т =2,5 нВт. Малая мощность гетеродина, необходимая для работы джозефсоновского смесителя, является его существенным достоинством. Оптимальные значения шумового параметра уг лежат в пределах 0,02 ... 0,1, а (в,/ыс)опт 02, Для джозефсоновского перехода с $',=1 мВ при Т=4,2 К это соответствует сопротивлению Як=60 ...
300 Ом и частоте 1„=100 ГГц. При выбранных указанным образом значениях го„Р, и уг смеситель может иметь потери преобразования Ь~ ~ 1 при однополосной шумовой температуре Т„,=(5 ... 10) Т. Минимальная шумовая температура смесителя достигается при чисто реактивном сопротивлении внешней цепи на зеркальной частоте: о. (а ~) =)Х(ы ~), Х(го ~))))7л; при 2(ы ',) =У(ы,) минимальная шумовая температура Т„,,„20Т, ежямы с большим усилением сигнала сопровождаются сильным возрастанием шума. Значения шумовой температуры джозефсоновских смесителей с внешним гетеродином заметно выше, чем у м ч квазичастичных смесителей, вследствие преобразования на роа проежуточную частоту шумов из комбинационных полос частоты гетеродина и джозефсоновской генерации высокого порядка. Наиболее удачные конструкции экспериментально исследованных джозефсоновских смесителей использовали ДТК и, как правило, повторяли конструкции волноводных смесителей на ДБШ.
143 Таблица 33. Параметры джозефсоновскнх смесителей Лнтературнма истояник Шумавая темпера- тура усмг. К Потери преабраааваиия Ст, дн набавии темпера- тура 7. К Частота сигнала !. 9тп 1157~ |159] 1160] 53 120 165 350 — 1,1 0.(-0,5 4.5+0,4 5 1.4 б 4.2 36 115 185 450 4Л, ВХОДНЫЕ УЗЛЫ ПРИЕМНИКОВ ю и б! а! При этом контактная игла из ниобия касалась ниобиевой мишени, заменяющей держатель полупроводниковой структуры, Ряд экспериментальных результатов приведен в табл.
З.З. На рис. 3.24 показана конструкция смесителя диапазона 2,6 мм (158). В ней ДТК ]з]Ь Ь]Ь между иглой !О и ленточкой из фольги 9 создавался при плавном сближении стеклянных пластинок 3, после чего они приклеивались к обшей пластинке 7. Благодаря использованию стекла с коэффициентом линейного расширения, близким к ЫЬ, некоторые ДТК выдерживали до десяти охлаждений до гелиевой температуры.
Многолетние усилия исследователей пока не привели к созданию приемников ММ диапазона на ДТК, пригодных для практической эксплуатации. В последние годы началось использование в приемных устройствах тонкопленочных торцевых джозефсоновских переходов СПС и СНС малой плошади с безгистсрезисиыми Рнс. 3.24, Конструкция джозефсоновского смесителя диапазона 2,6 мм (а) н вставка с ДТК (б)г 7 — корпусг 9 — выходноа рваьемг 5 — вставка с ДТК; С вЂ” иолиовод; 5 — прнжнмиоа винт; и — пРужина: 7, з — атенляниме пласгаек»г 9 — ленточка иа фольги; !с — игла; и — Фнч 144 ВАХ и цепочек из них (162, 1631, Применение этих переходов позволяет решить вопросы механической устойчивости и воспроизводимости характеристик, затрудняющие использование приемных устройств на ДТК.
К настоящему времени параметры детекторов и смесителей на переходах СИС и охлаждаемых ДБШ в ММ диапазоне в большинстве случаев превзошли характеристики аналогичных джозефсоновских устройств. Применение последних представляется перспективным главным образом в СММ диапазоне 1160]. 4 ВХОДНЫЕ УСТРОЙСТВА, ГЕТЕРОДИНЫ И УСИЛИТЕЛИ ПРИЕМНИКОВ МИЛЛИМЕТРОВЪ|Х ВОЛН Входными будем называть устройства, предшествующие активным каскадам приемника — смесителю, У ВЧ или детектору. Их основные функции: 1) выделение необходимой полосы частот входного сигнала и фильтрация помех; 2) передача мощности гетеродина на смеситель и подавление амплитудных шумов гете- родина; 3) создание необходимой модуляции входного сигнала (в радиометрах; 4) защита входа приемника от мощных сигналов (в РЛС); 5) ввод в приемный тракт калибровочных сигналов. Ниже рассмотрим только устройства, выполняющие первые две функции и встречающиеся в большинстве приемников супергетеродиниого типа.
Общим требованием ко всем функциональным узлам входного тракта является малость потерь входного сигнала. Поскольку высокочастотные тракты на низших типах волн часто ие удовлетворяют этому требованию, во входных цепях приемников ММ и особенно СММ диапазонов находят широкое применение квази- оптические устройства, существенно отличающиеся от тех же функциональных узлов приемников более длинноволновых диапазонов, В то же время стремление сократить габаритные размеры и массу оправдывает широкое применение во всем ММ диапазоне входных устройств приемников на волноводах основного сечения и мнкрополосковых линиях. Для уменьшения потерь в этом случае длину входного тракта стремятся предельно уменьшить. С той же целью ряд входных функциональных узлов часто размещают в свободном пространстве перед облучателем антенны (модуляторы, фильтры, устройства калибровки и пр.), а облучатель, являющийся частью антенной системы, нередко конструктивно объе- 145 йт=! — й,= (1 — Й)2+ 4/! Мпз (Х/2) (4.2) (4.4) Рт хе 2 (4.5) 141 диняют с приемником.
В связи с изложенным ниже раздельно рассматриваются устройства квазиоптического типа и аналогичные устройства на волноводах основного сечения. КВАЗИОПТИт)ЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ ° . Квазиоптические интерферометры выполняют роль частотных фильтров и разделителей сигналов разных частот и поляризаций. Предварительно кратко рассмотрим квазиоптические направленные ответвители, на основе которых строятся двухлучевые интерферометры. В квазиоптических ответвителях (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
